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Die
Erfindung betrifft ein Abstichrohr für ein metallurgisches Schmelzgefäß. Unter
einem metallurgischen Schmelzgefäß wird ein
Aggregat verstanden, in dem eine metallurgische Schmelze hergestellt,
behandelt und/oder transportiert wird, beispielsweise ein Konverter
oder ein Lichtbogenofen.
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Dabei
wird eine im Schmelzgefäß befindliche
Metallschmelze entlang des Abstichrohres in ein nachgeschaltetes
Aggregat geleitet. Beispielsweise wird der Stahl aus dem Konverter über eine
Pfanne einer nachgeschalteten Stranggussanlage zugeführt.
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Die
Metallschmelze soll möglichst
ohne Verunreinigungen transportiert werden. Beispielsweise soll
ein Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre (Sauerstoff, Stickstoff)
ebenso vermieden werden wie ein Mitführen von Schlacke.
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Aus
der
EP 0 057 946 B1 ist
ein Konverterabstich bekannt, der sich – in Axialrichtung – aus mehreren feuerfesten
Blöcken
oder Scheiben zusammensetzt. Der einlaufseitige Block soll einen
trichterförmigen
Durchlasskanal aufweisen und am auslaufseitigen Ende soll der Durchlasskanal
des Abstichrohrs den kleinsten Durchmesser haben. Derartig gestaltete
Abstichrohre sind seit 20 Jahren im Markt und haben sich bewährt.
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Ebenfalls
bewährt
haben sich Abstichrohre, deren Geometrie am auslaufseitigen Ende
den Vorgaben der
DE
42 08 520 C2 entspricht. Dabei liegt der Berechnung des
Auslaufquerschnittes ein Strömungsprofil
der korrespondierenden Schmelze zugrunde, und zwar unter der Annahme
eines Mittelwertes für
die Höhe
der Schmelze über
dem Abstichrohr.
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Bei
einem Konverter-Abstichrohr ist die Höhe der Metallschmelze (Badhöhe) während des
Abstichs häufig
nahezu konstant, weil der Konverter mit zunehmender Abstichzeit
gekippt (nachgeführt)
wird. Insbesondere zum Ende eines Abstichs verringert sich jedoch
die Badhöhe
zwangsläufig.
Damit erhöht
sich gleichzeitig die Gefahr, dass Schlacke mit der Metallschmelze
in das Abstichrohr und durch dieses hindurch geführt wird. Ferner kann es zur
Bildung von Turbulenzen und zur Ausbildung eines Unterdrucks im
Abstichrohr kommen. Gleichzeitig erhöht sich dadurch die Gefahr
einer Reoxidation und Aufstickung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abstichrohr der genannten
Art dahingehend zu optimieren, dass es während der gesamten Abstichzeit
den gewünschten
(„stetigen") Massedurchfluss
sicherstellt und ein Mitführen
von Schlacke verhindert wird. „Stetig" heißt, dass
der Massestrom im Abstichkanal des Abstichrohrs möglichst
bis zum Ende der Abstichzeit nicht abreißt. Ebenso ist die Aufnahme
von Sauerstoff oder Stickstoff soweit wie möglich zu vermeiden. Schließlich soll
die Auslegung des Abstichrohrs so erfolgen, dass unabhängig von
dessen Verschleiß (innerhalb
technisch akzeptierbarer Grenzen) ein weitestgehend gleichmäßiger Massenstrom
entlang des Abstichrohrs transportiert werden kann.
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Gemäß
DE 42 08 520 C2 lässt sich
das Strömungsprofil
einer Schmelze aus nachstehender Formel ermitteln:
A(x)
= m/(ρ·(2gx)½)mit
A(x)
= erforderlicher Strömungsquerschnitt
im Abstand x vom Badspiegel
m = Massenstrom der Schmelze
g
= Erdbeschleunigung = 9,81 m/s
2 x =
gewählter
Abstand vom Badspiegel
ρ =
Dichte der Schmelze
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Dabei
wird nur die durch die Beschleunigung des Schmelzenstrahls verursachte
Querschnittsänderung
in Abhängigkeit
der Fallhöhe
berücksichtigt.
Zur Bewahrung der Übersichtlichkeit
und Verständlichkeit
der Berechnungen werden sowohl hier als auch bei den weiteren in
dieser Beschreibung angeführten
Berechnungen Einflüsse
wie Viskosität
der Schmelze oder die Wandreibung vernachlässigt beziehungsweise außer Acht gelassen.
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Für eine spezifische
Schmelze lässt
sich damit der erforderliche Durchmesser des Durchflusskanals am
Auslaufende bei senkrechter Lage des Durchflusskanals, einer vorgegebenen
Durchflussmenge und vorgegebenem Abstand zwischen Badspiegel und
Auslaufende exakt bestimmen. Dies soll an einem Beispiel verdeutlicht
werden:
m = 700 kg/s
x = 2,7 m
ρ = 7.200 kg/m3 (für Stahl) A(x = 2,7 m) = 700/7.200·(2·9,81·2,7)½ =
0,01335 m2
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Aus
A = d2·π/4 errechnet
sich für
einen Abstich mit Kreisquerschnitt am Auslauf der Austrittsdurchmesser
zu d = (A·4/π)½ d = [(0,01335·4)/π]½ =
0,1304 m
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Bei
vorgegebenem Durchmesser des Abstichkanals am Auslaufende ist aber
ein entscheidender Gesichtspunkt für die Durchflussmenge und das
sich ergebende Strömungsprofil
die jeweilige Badhöhe
(Höhe der Schmelze über dem
Auslaufende des Abstichrohrs). In 1 ist beispielsweise
für verschiedene
Badhöhen der
erforderliche Radius eines kreisförmigen Querschnitts des Durchlasskanals
des Abstichrohrs in Abhängigkeit
vom Abstand vom Auslaufende aufgetragen, wobei „0" das Auslaufende des Abstichrohrs definiert,
1,35 Meter die Gesamtlänge
des (neuen) Abstichrohrs ist und eine maximale Badhöhe von 2,70
Metern angenommen wird (gerechnet vom Auslaufende). Die effektive
maximale Höhe
des Schmelzbades über
dem Absticheinlauf beträgt
demnach: 1,35 Meter. Unter Zugrundelegung einer vorgegebenen Durchflussmenge
zeigt die dargestellte Kurve für
die maximale Badhöhe
(= 2700 mm) den theoretisch mindestens notwendigen Radius des Abstichkanals
(Durchlasskanal im Abstichrohr) in verschiedenen Entfernungen vom
Auslaufende beginnend bei einem Radius = 65 mm am Auslaufende. Die übrigen Kurven
zeigen den theoretisch mindestens notwendigen Radius des Abstichkanals
in verschiedenen Entfernungen vom Auslaufende für unterschiedliche Badhöhen unter
der Annahme des gleichen Querschnitts (Radius 65 mm) am Auslaufende.
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Man
erkennt, dass bei einer Badhöhe
zwischen 2.700mm und 2.400mm im Einlaufbereich des Abstichrohrs
ein Radius von 80 Millimetern für
den Querschnitt des Durchlasskanals ausreichend ist, um einen kreisförmigen Querschnitt
des Abstichrohres am Auslaufende mit einem Radius von 65mm vollständig mit
dem Schmelzenstrahl auszufüllen.
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Sinkt
der Badspiegel jedoch weiter, beispielsweise auf eine ebenfalls
dargestellte minimale Badhöhe von
1.600 Millimetern (effektive Höhe
des Schmelzbades über
dem Absticheinlauf jetzt: 250 mm), so ergibt sich bei gleichem Querschnitt
des Abstichrohres am Auslaufende für den notwendigen Radius des
Querschnitts des Durchlasskanals im Einlaufbereich des Abstichrohrs
ein Wert von ca. 110mm.
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In
der
DE 42 08 520 C2 wird
nur ein Badspiegelbereich von 30 % bis 70 % für die Auslegung der Abstichgeometrie
berücksichtigt.
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Aus
der
DE 42 08 520 C2 ergibt
sich für
vorstehendes Beispiel mit Berücksichtigung
eines minimalen Badspiegels von 30 % und einer Länge des verschlissenen Abstichs
von 750 mm ein Einlaufdurchmesser von 75 mm. Daraus folgt, dass
die Lehre der
DE 42
08 520 C2 zu Abstichrohren führt, deren Durchlasskanal am Einlaufende
zu klein ist.
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Die
Erfindung führt
demgegenüber
zu völlig
anderen Geometrien des Durchlasskanals eines Abstichrohrs.
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Durch
Berücksichtigung
geringer Badhöhen
(effektive Höhe
der Metallschmelze über
dem Einlaufbereich des Abstichrohrs: < 30 % des Maximalwertes) wird der erforderliche
Querschnitt am Einlaufende größer und
weicht deutlich von dem Querschnitt ab, der sich gemäß
DE 42 08 520 C2 ergibt.
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2 zeigt
als Kurve (1) nochmals das bei einer Badhöhe von 1600
mm und einem Radius des Auslaufquerschnitts von 65 mm erforderliche
Profil des Auslaufkanals im Längsschnitt
(theoretisch mindestens notwendiger Radius). Kurve (2)
zeigt die Strömungsverhältnisse
bei einem Abstichrohr gemäß Stand
der Technik (Radius des Einlaufquerschnitts: 80 mm). Durch den im
Vergleich zum erfindungsgemäß erforderlichen Einlaufquerschnitt (Radius
= 110 mm) zu geringen Einlaufquerschnitt kommt es beim Stand der
Technik zu einer starken Einengung des Strahls im Abstichrohr. Bei
freier Ausbildung des Strahls entspricht dies am Auslaufende nur
noch einem Radius der Querschnittsfläche von 50 mm. Im Bereich unterhalb
des Einlaufquerschnitts kann daher nicht mehr der gesamte Querschnitt
des Abstichkanals gefüllt
und für
das Auslaufen der Schmelze genutzt werden. Die Folge sind die bereits
erwähnten
erhöhten
Turbulenzen und Unterdrücke
im Abstichrohr mit der Gefahr, dass auf der Schmelze schwimmende
Schlacke mitgerissen wird. Gleichzeitig führen die entlang des Rohrweges
entstehenden Turbulenzen zu einer (weiteren) Reduzierung der Durchflussmenge
und damit wird die Abstichzeit länger
als nötig.
Daraus folgt eine Reduzierung der Temperatur der Metallschmelze.
Dies macht es notwendig, die Schmelze in den nachfolgenden Behandlungsstufen
wieder auf das gewünschte
Temperaturniveau zu erwärmen,
wodurch zusätzliche
Energiekosten entstehen.
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Die
Vermeidung der Turbulenzen und Aufrechterhaltung eines kompakten
Strahls im Abstichkanal löst die
Erfindung durch eine solche Gestaltung des Abstichkanals, dass während der
gesamten Abstichzeit, also auch bei geringen Badhöhen (effektive
Höhe des
Badspiegels über
dem Einlaufende des Abstichrohrs: unter 30 % der maximalen Höhe), der
gesamte Abstichkanal vollständig
mit Schmelze gefüllt
ist.
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Die
Erfindung umfasst in ihrer allgemeinsten Ausführungsform ein Abstichrohr
für ein
metallurgisches Schmelzgefäß, dessen
axial verlaufender Durchlasskanal zwischen dem Auslaufende und dem
Einlaufende einen Kanalquerschnitt A (y) mit folgender Abhängigkeit
aufweist:
mit
A = Querschnittsfläche am Auslaufende
[m
2]
h
l = effektive
Höhe des
Schmelzbades über
dem Einlaufende [m] – in
axialer Verlängerung
des Abstichkanals –
h
k = Länge
des Abstichrohres zwischen Einlaufende und Auslaufende [m]
y
= axialer Abstand [m] zwischen dem Auslaufende und einer Stelle
entlang des Abstichrohres mit 0 ≤ y ≤ (h
l + h
k)
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„hl" soll
kleiner oder gleich dem 0,3-fachen der maximalen Höhe (hmax) einer Schmelze im Schmelzgefäß in axialer
Verlängerung
des Abstichrohres sein. Der variable Faktor (hl/hmax) berücksichtigt
das unterschiedliche Strömungsverhalten
insbesondere bei geringer Badhöhe.
Aus dem Faktor "≤ 0,3" ergibt sich, dass
dabei ein Zustand erfasst wird, bei dem die effektive Höhe des Schmelzenspiegels über dem
Einlaufende des Abstichrohrs um mindestens 70% geringer ist als
die effektive Höhe
des Schmelzenspiegels bei der maximalen Badhöhe.
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„hk" gibt
die jeweils vorhandene Länge
des Abstichrohrs zwischen Einlaufende und Auslaufende wieder. Während das
Auslaufende des Abstichrohrs zwangsläufig dessen unteres freies
Ende ist und über
die Zeit unverändert
bleibt, verändert
sich die Position des Einlaufendes mit der Benutzungsdauer des Abstichrohres. Verantwortlich
dafür ist
ein Verschleiß des
Feuerfestmaterials am Einlaufende. Das Einlaufende entspricht definitionsgemäß dem Niveau
des benachbarten Feuerfestmaterials einer feuerfesten Auskleidung
des metallurgischen Schmelzgefäßes. Mit
zunehmender Erosion verkürzt
sich entsprechend die Länge
des Abstichrohrs.
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Mit „y" wird schließlich der
axiale Abstand zwischen dem Auslaufende und einer Stelle entlang
des Abstichrohres bezeichnet. Für
das Auslaufende ist y = 0, so dass sich aus vorgenannter Formel
ergibt: A(y = 0) = A.
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Als
Spezialfall eines kreisförmigen
Abstichquerschnitts ergibt sich für den Durchmesser d
(y) des Abstichquerschnitts zwischen Auslaufende
und Einlaufende nachstehende Abhängigkeit
mit
d = Durchmesser
am Auslaufende
h
l = 0,3 h
max oder
weniger der maximalen Höhe
(h
max) einer Schmelze im Schmelzgefäß über dem
Absticheinlass in axialer Verlängerung
des Abstichrohres,
h
k = Länge des
Abstichrohres zwischen Einlaufende und Auslaufende,
y = axialer
Abstand zwischen dem Auslaufende und einer Stelle entlang des Abstichrohres.
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Dabei
beschreibt „d" den Durchmesser
am Auslaufende unter Vorgabe einer gewünschten Durchflussmenge. Je
höher die
gewünschte
Durchflussmenge ist, um so größer ist
der Durchmesser „d".
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Die
erfindungsgemäße Lehre
wird anhand verschiedener Ausführungsbeispiele
nachstehend erläutert.
Die Länge
des Abstichrohres (hk) wird mit 1,35 Metern
angenommen, die Höhe
des Badspiegels (hl) – ab Einlaufende des Rohres – mit 0,25
Meter (= 18,5 % der maximalen Höhe
des Schmelzbades von 1,35 Meter über
dem Absticheinlauf). Der Durchmesser „d" am Auslaufende wurde mit 0,13 Meter
festgelegt, um eine gewünschte
Durchflussmenge „X" sicherzustellen.
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Mit
vorgenannter Formel berechnet sich der Innendurchmesser des Durchlasskanals
am Einlauf wie folgt:
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In
einem Abstand von 1 Meter zum Auslaufende ergibt sich für den Durchlasskanal
ein Durchmesserwert von:
während am Auslauf – wie ausgeführt – d
(y) = d, also 0,13 m.
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Unter
Zugrundelegung einer Rohrlänge
von 2,0 Meter (bei ansonsten unveränderten Rahmendaten wie Auslaufquerschnitt,
Auslaufdurchmesser, effektive Höhe
des Badspiegels über
dem Einlaufende) ergibt sich der erforderliche Durchmesser am Einlaufende
zu 0,23 Meter, der in einem Abstand von 1 Meter zum Auslauf zu 0,15
Meter, während
der am Auslaufende unverändert
0,13 Meter beträgt.
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Daraus
ist abzuleiten, dass mit zunehmender Länge des Abstichrohres die erforderliche Öffnungsweite
am Einlaufende größer wird.
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Führt man
die obigen Berechnungen alternativ für eine Rohrlänge von
1,35 Meter und einen Durchmesser am Auslaufende von 0,13 Meter mit
einer effektiven Höhe
des Schmelzenspiegels über
dem Einlaufende von 0,4 Meter durch (entsprechend ca. 30% der maximalen
Badhöhe),
so berechnet sich der Durchmesser des Durchlasskanals im Einlaufbereich
zu 0,19 Meter und der in 1 Meter Höhe zum Auslaufende zu 0,16 Meter.
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Nach
einer Ausführungsform
wird der Faktor (hl/hmax)
mit > 0,05 und/oder < 0,3 angenommen
(hmax ist die maximale Höhe der Schmelze im Schmelzgefäß über dem
Einlaufbereich des Abstichrohrs in axialer Verlängerung des Abstichrohrs).
Nach einer weiteren Ausführungsform
liegt der Wert zwischen > 0,1
und/oder < 0,2.
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Wie
ausgeführt,
kommt es vor allem auf die Dimensionierung des Abstichrohrs im einlaufseitigen
Teil an. Dabei sind vor allem die Verhältnisse bei geringen effektiven
Höhen des
Badspiegels (< 30
% der maximalen effektiven Höhe
des Badspiegels über
dem Einlaufende) bestimmend. Die Querschnittsgeometrie am auslaufseitigen
Ende wird überwiegend
vom Sollwert der Durchflussmenge (Massestrom bei maximaler Badhöhe) bestimmt.
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Nach
einer Ausführungsform
bezieht sich die Querschnittsberechnung für den Durchlasskanal deshalb
auf Werte „y" > 50% der Gesamtlänge des Abstichrohres. Nach
einer weiteren Ausführungsform
werden diese Werte auf Bereiche > 70%
heraufgesetzt. Dies bedeutet, dass im Wesentlichen die einlaufseitige
Hälfte beziehungsweise
das einlaufseitige Drittel der Gesamtlänge des Rohres erfindungsspezifisch
ausgelegt werden soll.
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Dabei
kann dieser Abschnitt kontinuierlich konisch verjüngend ausgebildet
werden; die notwendige Verjüngung
in Richtung auf das auslaufseitige Ende kann aber gegebenenfalls
auch stufenartig erfolgen. Ebenfalls ist (im Längsschnitt gesehen) eine Anpassung
an die optimale Geometrie des Durchlasskanals in Form von Polygonzügen (siehe 3 bis 5)
oder gewölbten
Abschnitten möglich.
In den 3–5 sind
neben den erfindungsgemäß berechneten
Idealgeometrien auch an diese technisch angepasste stufenförmige Wandverläufe dargestellt,
mit denen sich die gewünschten
Effekte ebenso realisieren lassen und die technisch leichter herstellbar
sind.
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Insbesondere
die untere auslaufseitige Hälfte
des Abstichrohres kann der Konizität des (oberen) einlaufseitigen
Teils folgen; es ist aber auch möglich,
diesen Teil mit geringerer Konizität (Steigung) auszubilden, bis
hin zu einer zylindrischen Form des Durchlasskanals. Dies gilt insbesondere
für die
auslaufseitig letzten 10 bis 20% der Länge des Abstichrohrs.
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Bezüglich der
Steigung des Durchlasskanals gibt die Erfindung nach einer Ausführungsform
(kreisförmiger
Kanalquerschnitt und symmetrische Ausbildung der Innenkontur zur
Kanalachse) die Lehre, den Wandbereich so zu gestalten, dass die
Steigung (S) der Innenkontur des Durchlasskanals (im Längsschnitt)
nachstehender Abhängigkeit
folgt:
mit r = Radius des Kanalquerschnitts
am Auslaufende
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Die
Steigung S beschreibt in diesem Fall die Änderung des Radius r(y) eines kreisförmigen Querschnitts des Abstichkanals
in Abhängigkeit
vom Abstand y zum Auslaufende des Abstichs.
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Beispielsweise
ergeben sich damit für
unterschiedliche effektive Badhöhen
für die
mindestens erforderliche Steigung S in verschiedenen Entfernungen
vom Auslassende des Abstichrohrs die in nachstehenden Tabellen angeführten Werte
mit
h
k = 1,35 m
h
max =
1,35 m
r = 0,065 m
mit
h
k = 2,0 m
h
max =
1,35 m
r = 0,065 m
mit
h
k = 0,75 m (z.B. verringerte Abstichlänge bei
verschlissener Konverterauskleidung)
h
max =
1,95 m
r = 0,065 m
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Die
Beispiele zeigen, dass im einlaufseitigen Bereich (erstes Drittel
der Kanallänge)
für die
Steigung S die Werte ≥ 0,02
sein sollten. Bei sehr geringen effektiven Badhöhen und kürzeren Abstichlängen erstreckt sich
der Bereich, in dem S ≥ 0,02
sein sollte, bereits auf die einlaufseitige Hälfte des Abstichkanals. Dieser Wert
S kann auf ≥ 0,025, ≥ 0,05 oder ≥ 0,25 heraufgesetzt
werden.
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Er
gilt zumindest für
die obere Hälfte
(dem Einlaufende benachbart) beziehungsweise das obere Drittel (dem
Einlaufende benachbart) des Abstichkanals, kann sich aber auch über die
gesamte Länge
des Abstichkanals erstrecken. Unmittelbar am Einlaufende (über eine
Länge von
0,05 der Gesamtlänge
des Abstichrohrs), kann der Wert >> 0,25, beispielsweise
1, 5, 10, 30, 50, 70 oder 100 betragen. Wird der Wandverlauf des
Abstichkanals ganz oder teilweise stufenförmig ausgebildet oder entsprechend
vorhandenen Produktionsanlagen angenähert so bedeutet „Steigung" die Steigung der
im Längsschnitt
zwischen den Kanten aufeinander folgenden Stufen eintragbaren geraden
Verbindungslinie.
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Die
erfindungsgemäße Dimensionierung
eines Abstichrohres berücksichtigt
auch die Längenänderung
des Abstichrohres abhängig
vom Verschleißzustand
der benachbarten Auskleidung, indem die jeweiligen Werte für die Abstichlänge und
Höhe der
darüber
liegenden Schmelze in die Berechnung einfließen.
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Betrachtet
man für
die idealisierten Strömungsverhältnisse
die Änderung
des Querschnitts des Durchlasskanals entlang der Achse vom Auslassende
zum Einlassende und normiert diese Änderung auf den Querschnitt,
so ergibt sich
mit
S
A(y)= Änderung
des Querschnitts in m
2/m an der Stelle y
A
= Querschnittsfläche
des Durchgangskanals am Auslaufende des Abstichrohrs
h
l = 0,3 h
max oder
weniger der maximalen Höhe
(h
max) einer Schmelze im Schmelzgefäß über dem
Absticheinlass in axialer Verlängerung
des Abstichrohres,
h
k = Länge des
Abstichrohres zwischen Einlaufende und Auslaufende,
y = axialer
Abstand zwischen dem Auslaufende und einer Stelle entlang des Abstichrohres.
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Mit
folgender Annahme: Schmelzspiegel maximal 30 % der maximalen effektiven
Badhöhe über dem Einlaufende
des Abstichkanals ergibt sich für
die einlassseitige Hälfte
des Abstichkanals ein Wert von
SA(Y)/A >=
0,468 [1/m]mit
h
k = 2 m
h
l = 0,4 m
y = 1 m
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Dies
bedeutet, dass in der einlassseitigen Hälfte des Abstichkanals die
Querschnittsfläche
um mindestens 47 % je Meter Kanallänge zunehmen muss um strömungstechnisch
günstige
Bedingungen zu schaffen.
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Die
erfindungsgemäße Gestaltung
des Abstichrohrs ermöglicht
es, den Abstichvorgang auch bei geringen Badhöhen mit verringerten Turbulenzen
und stetigem Schmelzenstrom zu betreiben und so das Mitziehen von
Schlacke erheblich zu reduzieren. Außerdem ergeben sich durch die
Verringerung der Temperaturverluste und den verringerten Verschleiß weitere
wirtschaftliche Vorteile wie Energieeinsparung und verlängerte Lebensdauer
des Abstichs.
