DE102007047545A1

DE102007047545A1 - Vorrichtung zur Dosierung und zur Zuführung niedrigviskoser Schmelzen

Info

Publication number: DE102007047545A1
Application number: DE102007047545A
Authority: DE
Inventors: Michael Boettger; Sicco Rathke; Bernd Kühnemann
Original assignee: Eglass Production & Trade GmbH
Current assignee: Eglass Production & Trade GmbH
Priority date: 2007-09-29
Filing date: 2007-09-29
Publication date: 2009-04-02

Abstract

Bei Vorrichtungen zur Dosierung und Zuführung niedrigviskoser Glasschmelzen wird mittels eines in einer Dosierzelle bewegbar angeordneten Dosierkolbens der aus der Dosierzelle ausströmende Massenstrom der Schmelze variiert.
In einer solchen Vorrichtung ist die in den Aufnahmeraum begrenzende Seitenwand der Dosierzelle in wenigstens einem ersten Teilbereich in Richtung einer Auslauföffnung unter einem ersten Winkel α zur Symmetrieachse R konisch zulaufend ausgebildet sowie im Bereich der Auslauföffnung zur Bildung eines Bodenwandabschnitts mindestens einmal um einen zweiten Winkel β zwischen Seitenwand und Symmetrieachse R in Richtung der Symmetrieachse R umgelenkt, wobei der Betrag des zweiten Winkels β größer als der Betrag des ersten Winkels α ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dosierung und zur Zuführung niedrigviskoser Schmelzen umfassend eine Dosierzelle mit einem Aufnahmeraum, einen innerhalb des Aufnahmeraums vertikal bewegbar angeordneten Dosierkolben zur Veränderung des auslaufenden Massenstroms der Schmelze, wobei der Aufnahmeraum der Dosierzelle und der Dosierkolben rotationssymmetrisch um eine zentrale Symmetrieachse R ausgebildet sind, sowie mindestens ein an eine Auslauföffnung anschließendes Leitungssystem zum Zuführen der aus der Auslauföffnung ausströmenden Schmelze an mindestens eine nachgeordnete Prozessstufe.
Derartige Vorrichtungen finden insbesondere zur Dosierung und Zuführung niedrigviskosen Glasschmelzen als Gießhilfsmittel bei der Stahlherstellung im Stranggußverfahren Verwendung, wobei die Verwendung solcher Vorrichtungen nicht ausschließlich auf die Dosierung von Glasschmelzen als Gießhilfsmittel beschränkt ist. Üblicherweise umfassen derartige Vorrichtungen eine Dosierzelle sowie einen beweglich in der Dosierzelle angeordneten Dosierkolben zur Veränderung des ausfließenden Volumen-/ bzw. Massenstroms der Schmelze.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 35 838 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Ausflussmenge eines flüssigen Glasstroms zur Erzeugung definierter Glastropfenmengen bekannt. In einem vertikalen Auslasskanal ist ein um seine Rotationsachse drehender Kolben (Plunger) angeordnet, der zur Ausführung von Hubbewegungen um eine Ruhelage in vertikaler Richtung bewegbar ist. Eine abwärts gerichtete Hubbewegung des Kolbens führt zu einer zeitlich begrenzten Erhöhung des ausströmenden Glasmassenstrom, während eine aufwärts gerichtete Hubbewegung den ausfließenden Massenstrom soweit reduziert, dass es zur Ablösung eines Glastropfens kommt.
Zur Steuerung der Glastropfenmenge ist der Auslasskanal konisch ausgebildet. Eine Veränderung der Ruhelage des Kolbens in vertikaler Richtung führt so zu einer entsprechenden Veränderung des ringförmigen Durchlassspalts zwischen Innenwand des Auslasskanals und Kolben, so dass die Ausflussmenge in Abhängigkeit der gewählten Ruhelage des Kolbens steuer bar ist. Wird der Kolben in eine tiefer gelegene Ruhelage bewegt, so verkleinert sich im Mittel die Querschnittsfläche des ringförmigen Durchlassspalts, so dass aufgrund des erhöhten Strömungswiderstands der auslaufende Massenstrom verringert wird. Im umgekehrten Fall wird der Strömungswiderstand in Folge einer Querschnittsflächenvergrößerung des ringförmigen Durchlassspalts durch Bewegen des Kolbens in eine höher gelegene Ruhelage entsprechend verkleinert und so der auslaufende Massenstrom vergrößert.
Eine exakte Dosierung des auslaufenden Massenstromes niedrigviskoser Schmelzen bzw. im Bereich verhältnismäßig geringer Massenströme, erfordert eine hinreichend kleine Querschnittsfläche des ringförmigen Durchlassspalts, die durch eine Verringerung des Abstand zwischen Kolben und Auslasskanalinnenwand erzielbar ist. Nachteilig ist, dass sich die erforderliche Größenordnung des Spaltmaßes zum Dosieren entsprechend kleiner Massenströme bzw. zum Dosieren dünnflüssiger Schmelzen in der Größenordnung der Rundlauffehler des Kolbens, die beispielsweise durch Zentrierungenauigkeiten und/oder durch thermische Ausdehnung verursacht werden, bewegt. Wird das Spaltmaß dennoch durch Positionieren des Kolbens in eine tiefer gelegene Ruhelage verkleinert, besteht die Gefahr, dass sich der Kolben im Auslasskanal verklemmt, was zu einer Beschädigung der Innenwand des Auslasskanals bzw. des Kolbens führen kann. Ferner ist eine präzise Dosierung des auslaufenden Massestroms bedingt durch die Rundlauffehler des Kolbens und die damit verbundene Uneinheitlichkeit des Spaltmaßes praktisch nicht realisierbar. Dies wirkt sich einerseits negativ auf die gewünschte Steuerbarkeit der pro Zeiteinheit ausströmenden Gesamtmasse der Schmelze aus, zum anderen sind die durch jedes infinitesimale Kreisringsegment der ringförmigen Spaltquerschnittsfläche strömenden Teilmassenströme nicht gleich groß, so dass die Verteilung des ausströmenden Schmelzmassenstroms entlang des Umfangs der ringförmigen Durchlassspaltfläche inhomogen ist.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, dass ein Verklemmen des Kolbens und eine mögliche Beschädigung der Innenwand des Auslasskanals bzw. des Kolbens nur durch die Einhaltung eines Spaltmindestmaßes zwischen der Innenwand des Auslasskanals und des Kolben auszuschließen ist. Dies hat zur Folge, dass die Größe des ausfließenden Massenstroms nicht beliebig klein gewählt werden kann, sondern entsprechend dem einzuhaltenen Spaltmindestmaß auf einen minimalen Massenstrom begrenzt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Dosierung und zur Zuführung niedrigviskoser Schmelzen zu schaffen, die eine präzise Steuerung des Schmelzmassenstroms über einen weiten Massenstromstellbereich hinweg erlaubt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die eingangs beschriebene Vorrichtung dadurch gelöst, dass die den Aufnahmeraum begrenzende Seitenwand der Dosierzelle in wenigstens einem ersten Teilbereich in Richtung der Auslauföffnung unter einem ersten Winkel α zur Symmetrieachse R konisch zulaufend ausgebildet ist, sowie im Bereich der Auslauföffnung zur Bildung eines Bodenwandabschnitts mindestens einmal um einen zweiten Winkel β zwischen Seitenwand und Symmetrieachse R in Richtung der Symmetrieachse R umgelenkt ist, wobei der Betrag des zweiten Winkels β größer als der Betrag des ersten Winkels α ist. Der zwischen Dosierkolben und der Seitenwand des wenigstens ersten Teilbereichs der Dosierzelle liegende ringförmige erste Spaltabschnitt dient der Steuerung des ausströmenden Massenstroms der Schmelze im Bereich hoher Massenströme, die größer als der minimale Massenstrom sind, wobei der minimale Massenstrom durch den Mindestabstand zwischen Dosierkolben und der den Aufnahmeraum begrenzenden Seitenwand der Dosierzelle bestimmt ist. Die präzise Steuerung eines geringen Massenstroms, d. h. die Steuerung eines Massenstromes, dessen Größe kleiner oder gleich dem minimalen Massenstrom ist, erfolgt im wesentlichen durch den zwischen dem Dosierkolben und der im Bereich der Auslauföffnung zur Bildung eines Bodenwandabschnitts umgelenkten Seitenwand der Dosierzelle liegenden zweiten Spaltabschnitt. Durch das Einhalten eines Mindestabstands zwischen Dosierkolben und der den Aufnahmeraum begrenzenden Seitenwand der Dosierzelle in dem wenigstens ersten Teilbereich wird ein Verklemmen des Dosierkolbens in der Dosierzelle beispielsweise durch Zentrierungenauigkeiten, thermische Ausdehnung oder dergleichen sicher vermieden.
Vorteilhafterweise weist der Dosierkolben korrespondierend zur Geometrie des Bodenwandabschnitts des Aufnahmeraums einen zweiten konischen Teilabschnitt auf. Der zwischen dem Bodenwandabschnitt des Aufnahmeraums und dem zweiten konischen Teilabschnitt des Dosierkolbens gebildete Spaltabschnitt kann aufgrund der Bewegbarkeit des Dosierkolbens in vertikaler Richtung beliebig klein eingestellt werden, da im Fall eines Kontakts zwischen dem zweiten Teilabschnitt des Dosierkolbens und der Seitenwand der Dosierzelle im Bereich des Bodenwandabschnitts, beispielsweise aufgrund thermischer Ausdehnung des Dosierkolbens, das Spaltmaß durch Bewegen des Dosierkolbens in vertikaler Richtung korrigiert und dem Sollspaltmaß angepasst werden kann. Somit sind erfindungsgemäß die Voraussetzungen zur präzisen Steuerung kleiner bzw. kleinster Massenströme gegeben. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass sich der Spaltabschnitt im Bereich des Bodenwandabschnitts zwischen dem Dosierkolben und der Seitenwand der Dosierzelle in Richtung der Auslauföffnung verjüngt. Im Falle einer direkten Berührung von Dosierkolben und Seitenwand im Bereich des Bodenabschnitts beschränkt sich die Kontaktfläche auf eine kreisringförmige Auflagefläche, die wesentlich kleiner als die Oberfläche des gesamten Bodenabschnitts ist, so dass ein großflächiger Kontakt zwischen Dosierkolben und Seitenwand im Bereich des Bodenabschnitts vermieden wird.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auslauföffnung im Bodenwandabschnitt mittels des Dosierkolbens vollständig verschließbar ist. Zum einen ist der auslaufenden Massenstrom der Schmelze auf diese Weise im Bereich von gegen Null strebenden Massenströmen präzise steuerbar, zum anderen kann das Auslaufen der Schmelze vollständig unterbunden werden. Dies ist insbesondere beim diskontinuierlich ablaufenden Stranggießprozess von Vorteil, da die Zuführung der dosierten Schmelze in Abhängigkeit des aktuellen Gießhilfsmittelbedarfs der nachfolgenden Stranggießprozessstufe nicht nur präzise gesteuert, sondern darüber hinaus bei Bedarf unterbrochen werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Dosierzelle aus wenigstens zwei Teilstücken gebildet, so dass der den unteren Teil der Dosierzelle umfassende Bodenwandabschnitt einschließlich der Auslauföffnung einfach austauschbar ist. Dies bietet zum einen den Vorteil, dass im Fall von im Bereich des Bodenwandabschnitts auftretenden Verschleiß- oder Beschädigungserscheinungen, beispielsweise durch einen direkten Kontakt zwischen Dosierkolben und Seitenwand, nur der defekte Teil ausgewechselt werden muss, während die unbeschädigten Komponenten der Vorrichtung weiter verwendet werden können. Zum anderen ist der maximal aus der Auslauföffnung der Dosierzelle ausfließende Massenstrom durch Auswechseln des unteren Teils gegen Teile mit Auslauföffnungen verschiedener Durchmesser unkompliziert möglich. Die Dosiervorrichtung ist so auf einfache Weise in Abhängigkeit der jeweiligen Anforderungen an den gewünschten Massenstromstellbereich anpassbar.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitungssystem zur Zuführung der Schmelze an mindestens eine nachgeordnete Prozessstufe relativ zur Dosierzelle bewegbar ausgebildet ist, so dass verschiedene Leitungssysteme an die Dosiervorrichtung zur Zuführung des Schmelzmassenstroms an mehrere Prozessstufen angekoppelt werden können.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass jeder Rohrleitungsabschnitt des Leitungssystems separat beheizbar ist. Die beheizten Rohrleitungsabschnitte verhindern ein Absinken der Temperatur der flüssigen Schmelze, wobei die Heizleistung eines jeden Rohrleitungsabschnitts unabhängig von der Heizleistung der anderen Rohrleitungsabschnitte einstell- bzw. steuerbar ist. So wird zum einen das Temperaturniveau der Schmelze während des Transports der Schmelze von der Dosiervorrichtung zur einer oder mehreren nachgeordneten Prozessstufen entlang der einzelnen Rohrleitungsabschnitte des Leitungssystems konstant gehalten, zum andern bietet die separate Beheizbarkeit der einzelnen Rohrleitungsabschnitte die Möglichkeit einer abgestuften Temperaturverteilung, um beispielsweise einen vorgegebenen Temperaturgradienten auf dem Transportweg der Schmelze zu realisieren.
Weitere bevorzugte oder zweckmäßige Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Besonders bevorzugte Ausführungsformen werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Dosierzelle, und
2 eine schematische Darstellung der Dosier- und Zuführungsvorrichtung, sowie
3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der 1 zur Verdeutlichung der Winkelverhältnisse.
Die 1 zeigt einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Dosierzelle 11 der Dosiervorrichtung 10. Die Dosiervorrichtung 1.0 umfasst eine Dosierzelle 11 mit einem Aufnahmeraum 12 zur Aufnahme niedrigviskoser Schmelzen, beispielsweise zur Aufnahme schmelzflüssiger Gläser, deren dynamische Viskosität typisch η₁ = 0,1 bis η₂ = 2 Pa·s beträgt, sowie schmelzflüssiger Gläser bzw. glasähnliche Schlacken beliebiger Viskositäten, wobei die Verwendung nicht auf glas- oder glasähnliche Schmelzen beschränkt ist. Innerhalb des Aufnahmeraums 12 der Dosierzelle 11 ist ein Dosierkolben 13 vertikal bewegbar angeordnet, wobei der Dosier kolben 13 sowie der Aufnahmeraum 12 der Dosierzelle 11 rotationssymmetrisch um eine zentrale Symmetrieachse R angeordnet sind. Optional wird der Dosierkolben 13 über eine Antriebseinheit zusätzlich in Drehung um die Symmetrieachse R versetzt.
Die Rotationssymmetrie von Dosierzelle 11 und Dosierkolben 13 ermöglicht ein gleichmäßiges Auslaufen der Schmelze aus dem Aufnahmeraum 12. Der Aufnahmeraum 12 der Dosierzelle 11 wird von einer Seitenwand 14 und einer Auslauföffnung 15 begrenzt, wobei die Seitenwand 14 in wenigstens einem ersten Teilbereich 16 unter einem ersten Winkel α zur Symmetrieachse R konisch zulaufend ausgebildet ist, sowie im Bereich der Auslauföffnung 15 zur Bildung eines Bodenwandabschnitts 17 mindestens einmal um einen zweiten Winkel β zwischen der Seitenwand 14 und Symmetrieachse R umgelenkt ist, wobei der Betrag des zweiten Winkels β größer als der Betrag des ersten Winkels α ist. Über eine Veränderung der vertikalen Position des Dosierkolbens 13 innerhalb des Aufnahmeraums 12 ist der aus der Auslauföffnung 15 der Dosierzelle 11 auslaufende Massenstrom steuerbar. Wird der Dosierkolben 13 in Richtung der Auslauföffnung 15 bewegt, so verkleinert sich das Spaltmaß zwischen der Seitenwand 14 der Dosierzelle 11 und dem Dosierkolben 13 und der auslaufende Massenstrom wird aufgrund des sich vergrößernden Strömungswiderstands verringert. Im umgekehrten Fall wird der ausfließende Massenstrom entsprechend vergrößert.
Die Geometrien des Dosierkolbens 13 und des Aufnahmeraums 12 sind vorzugsweise derart eingerichtet, dass sich die den Aufnahmeraum 12 begrenzende Seitenwand 14 und der Dosierkolben 13 unabhängig von der vertikalen Position des Dosierkolbens 13 in dem wenigstens ersten Teilbereich 16 des Aufnahmeraums 12 nicht direkt berühren. Der Mindestabstand zwischen dem Dosierkolben 13 und der Seitenwand 14 in diesem Bereich ist mindestens gerade so groß gewählt, dass weder Zentnerungenauigkeiten des Dosierkolbens 13 noch durch thermische Ausdehnung verursachte Veränderungen der Geometrien des Dosierkolbens 13 und/oder der Dosierzelle 11 zu einem Verklemmen des Dosierkolbens 13 mit der Seitenwand 14 in einem ersten Teilbereich 16 des Aufnahmeraums 12 der Dosierzelle 11 führen.
Der Dosierkolben 13 weist einen ersten konischen Teilabschnitt 18 auf, der korrespondierend zur Geometrie des ersten konisch verlaufenden Teilbereichs 16 des Aufnahmeraums 12 ausgebildet ist. Dies wirkt sich in mehrfacher Hinsicht positiv insbesondere im Hinblick auf die Dosierbarkeit niedrigviskoser Schmelzen aus. Zum einen bedingt die vergrößerte wirksame Spaltoberfläche eine Vergrößerung des Strömungswiderstands gegenüber den bisher bekann ten Dosiervorrichtungsgeometrien, zum anderen führt eine Veränderung der vertikalen Position des Dosierkolbens 13 zu einer entsprechend geringen Änderung des auslaufenden Massenstroms, mit dem Vorteil, dass sich Positionierungstoleranzen des Dosierkolbens 13 in vertikaler Richtung nur geringfügig in Form von Abweichungen des auslaufenden Massenstroms vom geforderten Sollmassenstrom der ausströmenden Schmelze auswirken.
Dabei ist der Betrag des Winkels α' zwischen einer Mantellinie 19 des ersten konischen Teilabschnitts 18 des Dosierkolbens 13 und der Symmetrieachse R kleiner als der Betrag des ersten Winkels α, so dass sich ein in Richtung der Auslauföffnung 15 kontinuierlich verjüngender Spaltabschnitt 20 zwischen Dosierkolben 13 und der Seitenwand 14 der Dosierzelle 11 einstellt. Ferner weist der Dosierkolben 13 korrespondierend zur Geometrie des Bodenwandabschnitts 17 des Aufnahmeraums 12 einen zweiten konischen Teilabschnitt 21 auf. Die Funktionen der zwischen der Seitenwand 14 der Dosierzelle 11 und Dosierkolben 13 vorhandenen Spaltabschnitte 20, 22 im ersten Teilbereich 16 des Aufnahmeraums 12 bzw. im Bereich des Bodenwandabschnitts 17 soll nachstehend beispielhaft verdeutlicht werden. Befindet sich der Dosierkolben 13 in einer oberen Position, so fließt ein maximaler Schmelzmassenstrom aus der Auslauföffnung 15 der Dosierzelle 11. Wird der Dosierkolben 13 in Richtung der Auslauföffnung 15 der Dosierzelle 11 bewegt, verringert sich das Spaltmaß im ersten Teilbereich 16 des Aufnahmeraums 12 zwischen der Seitenwand 14 der Dosierzelle und dem Dosierkolben 13 kontinuierlich mit der Abwärtsbewegung des Dosierkolbens 13. Der aus der Auslauföffnung 15 strömenden Schmelzmassenstroms wird im wesentlichen durch den kleinsten Abstand zwischen der Seitenwand 14 der Dosierzelle 11 und dem Dosierkolben 13 im ersten Teilbereich 16 des Aufnahmeraums 12 bestimmt. Solange das kleinste Spaltmaß innerhalb des Spaltabschnitts 20 im ersten Teilbereich 16 des Aufnahmeraums 12 kleiner als das Spaltmaß zwischen Dosierkolben 11 und Seitenwand 14 des Bodenwandabschnitts 17 innerhalb des Spaltabschnitts 22 ist, wird die Größe des aus der Auslauföffnung 15 ausströmenden Massenstroms der Schmelze im wesentlichen vom Strömungswiderstand des durch den Spaltabschnitt 20 im ersten Teilbereich 16 des Aufnahmeraums 12 bestimmt. Der Spaltabschitt 20 im ersten konischen Teilabschnitt 16 des Aufnahmeraums 12 dient daher der Steuerung des Schmelzmassenstroms im Bereich hoher Massenströme, die größer oder gleich dem aufgrund des einzuhaltenen Spaltmindestmaß vorgegebenen minimalen Massenstrom sind.
Sobald der Dosierkolben 13 im Verlauf der Abwärtsbewegung in Richtung der Auslauföffnung 15 der Dosierzelle eine Position erreicht hat, in der das kleinste Spaltmaß zwischen der Seitenwand 14 der Dosierzelle 11 und des Dosierkolbens 13 im ersten Teilbereich 16 des Aufnahmeraums 12 innerhalb des Spaltabschnitts 20 einen Wert in der Größenordnung des größten Spaltmaßes innerhalb des Spaltabschnitts 22 zwischen Dosierkolben 13 und der Seitenwand 14 der Dosierzelle 11 im Bereich des Bodenwandabschnitts 17 annimmt, wirkt sich der Spaltabschnitt 22 zwischen Dosierkolben 13 und der Seitenwand 14 der Dosierzelle unmittelbar auf den auslaufenden Massenstrom der Schmelze aus. Der Spaltabschnitt 22 zwischen Dosierkoben 13 und der Seitenwand 14 der Dosierzelle im Bereich des Bodenwandabschnitts 17 übernimmt daher im wesentlichen die Funktion der Steuerung des ausströmenden Massenstroms im Bereich kleiner Massenströme, deren Größer kleiner als der aufgrund des einzuhaltenen Spaltmindestmaß begrenzte minimale Massenstrom ist.
Die Höhenverstellung des Dosierkolbens 13 der Dosiervorrichtung 10 erfolgt zum Beispiel über einen mit dem Dosierkolben 13 in Verbindung stehenden servomotorischen Antrieb mit einer Positioniergenauigkeit in vertikaler Richtung kleiner 0,05 mm. Eine Veränderung der Dosierkolbenposition in vertikaler Richtung innerhalb der Dosierzelle 11 um ca. 200 mm führt zu einer Massenstromänderungen in einem Bereich zwischen Null und 60 kg/min innerhalb einer Einstellzeit von ca. 5 Sekunden, wobei der ausströmenden Massenstrom vom vorgegeben Sollmassenstrom maximal um ein halbes Prozent abweicht.
Die Anzahl n der Umlenkungen der den Aufnahmeraum 12 der Dosierzelle 11 begrenzenden Seitenwand 14 ist nicht auf eine einzige Umlenkung beschränkt. Vielmehr kann die Seitenwand 14 der Dosierzelle 11 zur Bildung eines Bodenwandabschnitts 17 mehrfach um die Winkel β₁ bis β_n zwischen Seitenwand 14 und Symmetrieachse R in Richtung der Symmetrieachse R umgelenkt ausgebildet sein, wobei die Winkel β₁ bis β_n der Bedingung β₁ > β₂ > ... > β_n genügen. Im Fall einer mehrfachen Umlenkung ist der zweite konische Teilabschnitt 21 des Dosierkolben 13 teilweise oder vollständig korrespondierend zur Geometrie des Bodenwandabschnitts 17 des Aufnahmeraums 12 ausgebildet.
Die Auslauföffnung 15 der Dosierzelle 13 ist mittels des Dosierkolbens 13 vollständig verschließbar, wobei ein flächiger Kontakt des zweiten konischen Abschnitts 21 des Dosierkolbens 13 mit dem Bodenwandabschnitt 17 vermieden wird. Der Betrag des Winkels β' zwischen der Mantellinie 19 des ersten konischen Teilabschnitts 18 des Dosierkolbens 13 und der Symmetrieachse R ist kleiner als der Betrag des zweiten Winkels β, so dass beim Verschließen der Auslauföffnung 15 ein flächiger Kontakt zwischen dem Dosierkolben 13 und der Seitenwand 14 im Bereich des Bodenwandabschnitts 17 vermieden wird. Vorzugsweise ist die Kontaktfläche zwischen dem Dosierkolben 13 und der Seitenwand 14 im Bereich des Bodenwandabschnitts 17 auf eine schmale kreisringförmige Auflagefläche im Randbereich der Auslauföffnung 15 beschränkt.
Die Dosierzelle 11 wird aus wenigstens zwei Teilstücken 23, 24 gebildet. Auf diese Weise ist es möglich aufgrund von Beschädigungen oder Verschleiß unbrauchbar gewordene Teile der Dosierzelle 11 separat auszutauschen, ohne einen aufwendigen Gesamttausch der Dosierzelle 11 vornehmen zu müssen. Die Teilung der Dosierzelle 11 ist im Übergangsbereich 25 des ersten Teilbereichs des Aufnahmeraums 16 und Bodenwandabschnitt 17 angeordnet, so dass das den Bodenwandabschnitt 17 umfassende Teilstück 24 separat austauschbar ist. Die Dosierleistung der Dosierzelle 11 ist durch einen Austausch des den Bodenwandabschnitt 17 der Dosierzelle 11 umfassenden Teilstücks 24 gegen verschiedene Bodenwandabschnitte 17 mit unterschiedlichem Durchmesser der Auslauföffnung 15 an den jeweilig geforderten Massenstromsteuerbereich anpassbar. Zur Variation des Dosierbereichs für Dosierleistungen bis zu 60 Kg/min werden beispielsweise Auslauföffnungen 15 mit einem Durchmesser zwischen 5 und 12 mm im Bodenwandabschnitt 17 verwendet.
Die Teilstücke 23, 24 sind über einen oder mehrere Flansche 26 miteinander verbindbar. Über die Flansche 26 sind die Teilstücke 23, 24 gedichtet und zugleich lösbar miteinander verbunden. Die Anzahl der Teilstücke 23, 24 der Dosierzelle 11 ist nicht auf zwei beschränkt, sondern ist wahlweise in mehr als zwei Teilstücke 23, 24 unterteilbar. Entsprechend der Teilstückanzahl N erhöht sich die Anzahl der Flansche 26 zur Verbindung der einzelnen Teilstücke 23, 24 auf mindestens N – 1 Flansche.
Die Dosierzelle 11 wird von einer umgebenden Keramik 27 abgestützt. Dazu ist die den Aufnahmeraum 12 der Dosierzelle 11 umgebende Seitenwand 14 in eine Keramik 27 eingebettet. Die umgebende Keramik 27 dient neben der Abstützung und mechanischen Stabilisierung der Seitenwand 14 der Dosierzelle 11 der thermischen Isolation der gesamten Dosierzelle 11.
Der 2 ist eine schematische Darstellung der Dosier- und Zuführungsvorrichtung zu entnehmen. Darin ist die Dosierzelle 11 ortsfest ausgebildet. Vorzugsweise ist die Dosierzelle 11 mit einem ebenfalls ortsfesten Schmelzofen direkt, oder indirekt über einen Zuführkanal 28, zur Leitung der Schmelze vom Schmelzofen in den Aufnahmeraum 12 der Dosierzelle 11 verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mündet der Zuführkanal 28 seitlich in den Aufnahmeraum 12 der Dosierzelle 11.
Zur Zuführung der aus der Auslauföffnung 15 der Dosierzelle 11 ausströmenden Schmelze ist mindestens ein Leitungssystem 29 an die Auslauföffnung 15 angeschlossen. Mittels des Leitungssystems 29 gelangt der auslaufende Massenstrom zu einer nachgeordneten Prozessstufe, beispielsweise zu einer Prozessstufe zur Herstellung von Stahl im Stranggussverfahren, wobei die zugeführte Glassschmelze dort als Gießhilfsmittel Verwendung findet. Zur Ankopplung unterschiedlicher Leitungssysteme 29 ist jedes der Leitungssysteme 29 relativ zur Dosierzelle 11 bewegbar ausgebildet. Aus einer Dosiervorrichtung 11 können über mehrere Leitungssysteme 29 unterschiedliche nachgeordnete Prozessstufen über die Dosierzelle 11 mit einem exakt dosierten Massenstrom der Schmelze versorgt werden.
Zur Aufnahme der aus der Auslauföffnung 15 ausströmenden Schmelze ist jedem Leitungssystem 29 mindestens ein Rohrleitungsabschnitt 30 mit einem Einlaufstutzen 31 zugeordnet, wobei der Einlaufstutzen 31 in einer bevorzugten Ausführungsform trichterförmig ausgebildet ist. Das Leitungssystem 29 ist von der Dosiervorrichtung 11 mechanisch entkoppelt. Dazu ist der Einlaufstutzen 31 des jeweils ersten Rohrleitungsabschnitts 30 eines Leitungssystems 29 zur Auslauföffnung 15 der Dosierzelle 11 beabstandet. Der aus der Auslauföffnung 15 ausströmende Massenstrom gelangt über eine Luftstrecke zwischen der Auslauföffnung 15 und dem davon beabstandeten Einlaufstutzen 31 in das Leitungssystem 29.
Das Leitungssystem 29 weist mehrere über Koppelstellen 32 schwenkbar miteinander verbundene Rohrleitungsabschnitte 33 auf, über die die Schmelze innerhalb des durch die Länge des jeweiligen schwenkbaren Rohrleitungsabschnitts 33 vorgegebenen Radius an nachfolgende Prozessstufen geleitet wird. In der gezeigten Ausführung treffen im Bereich einer Koppelstelle 32 jeweils zwei Rohrleitungsabschnitte 30, 33 mit unterschiedlichen Rohrdurchmessern aufeinander, so dass sich die Rohrenden der Rohrleitungsabschnitte 30, 33 zur Koppelung überlappen. Zur mechanischen Entkoppelung der Rohrleitungsabschnitte 30, 33 ist zwischen den sich überlappenden Rohrenden der Rohrleitungsabschnitte 30, 33 im Bereich der Koppelstellen 32 ein Luftspalt vorgesehen. In einer alternativen Ausführung der Erfindung sind jeweils zwei der in einer Koppelstelle 32 zusammentreffenden Rohrenden der Rohrleitungsab schnitte 30, 33 mit zumindest im wesentlichen gleichen Rohrquerschnitten über einen Luftspalt voneinander beabstandet.
Durch Verschwenken der Rohrleitungsabschnitte 33 können mittels eines Leitungssystems 29 mehre Prozessstufen bedient werden. Sollen weitere, nicht im Aktionsradius der jeweiligen schwenkbaren Rohrleitungsabschnitte 33 liegende Prozessstufen mit der Schmelze gespeist werden, so wird das gesamte Leitungssystem 29 relativ zur Dosierzelle 11 bewegt und gegen ein anderes Leitungssystem 29 ausgetauscht. Die Verschwenkbarkeit der Rohrleitungsabschnitte 33 ist insbesondere bei der Zuführung der Schmelze als Gießhilfsmittel bei der Stahlherstellung nach dem Stranggussverfahren von Vorteil, da zum Befüllen der Gießformen nachgeordneter Prozessstufen die Auslaufposition der Schmelze über der Gießform auf einfache Weise veränderbar ist, ohne den Dosiervorgang zu unterbrechen.
Um ein Absinken der Temperatur der Schmelze und damit verbundene unerwünschte Kristallisationsprozesse innerhalb der Schmelze beim Unterschreiten der Liquidustemperatur zu verhindern, ist das Leitungssystem 29 elektrisch beheizbar. Dabei ist jeder Rohrleitungsabschnitt 30, 33 separat beheizbar. Die Heizleistung ist somit auf jedem einzelnen Teilabschnitt des Leitungssystems 29 anpassbar. Die Rohrwand 34 jedes Rohrleitungsabschnitts 30, 33 ist als elektrisches Heizelement ausgebildet und eingerichtet. Die Rohrwand 34 selbst dient dabei als Widerstandsheizelement. Die Einleitung des elektrischen Heizstromes erfolgt über jeweils am äußeren Umfang zumindest im Anfangs- und Endbereich der Rohrleitungsabschnitte 30, 33 angebrachte Stromzuführungsflansche.
Wahlweise ist das jeweilige Leitungssystems 29 entweder zusätzlich oder ausschließlich über eine indirekte Heizung beheizbar. Die Heizleistung der Widerstandsheizung ist durch die maximal zulässige Stromdichte beschränkt. Zur Steigerung der Heizleistung, um beispielsweise die Vorheizzeit beim Anfahren der Vorrichtung aus dem Ruhezustand oder nach einem Wechsel des den Bodenwandabschnitt 17 umfassenden Teilstücks 24 der Dosierzelle 11 zu beschleunigen, ist das Leitungssystem 29 zusätzlich indirekt beheizbar ausgebildet. Insbesondere im Bereich der Einlaufstutzen 31, der Koppelstellen 32 und/oder weiterer Teile des Leitungssystems 29 mit einer komplexen Geometrie kommt die Kombination einer direkte Beheizung zur Abdeckung der Grundlast mittels Stromeinleitung sowie der ergänzenden indirekten Heizung zum Einsatz. Alternativ werden Teile des Leitungssystems 29 ausschließlich indirekt beheizt. Als Wärmequellen der indirekten Heizung finden Widerstandsheizelemente und/oder Strahlungselemente, z. B. Infrarotstrahler Verwendung. Die indirekte Heizung ist als elektromagnetische Induktionsheizung ausgebildet. Durch induktive Einkopplung hochfrequenter Wechselströme in Teile oder das gesamte Leitungssystem 29 werden im elektrisch leitfähigen Material des Leitungssystems 29 Wirbelströme induziert, die in Wechselwirkung mit deren ohmschen Widerstand zu einer Erwärmung der entsprechenden Teile des Leitungssystems 29 führen.
Das Leitungssystem 29 ist zur thermischen Isolation mit einem Isolationsmittel ummantelt. Als Isolationsmittel wird bevorzugt ein Isolierbeton mit eingelagerten Keramikfasern eingesetzt. Die eingelagerten Keramikfasern verhindern die Bildung von Rissen im Beton, die neben der mechanischen Beanspruchung hauptsachlich durch thermische Belastungen in Form von Temperaturwechseln hervorgerufen werden.
Aufgrund der korrosiven Eigenschaften der zu dosierenden Schmelzen, bestehen alle Bereiche der Vorrichtung, die mit der Schmelze in Kontakt stehen, aus einem Metall der Platingruppe oder einer Legierung mit zumindest einem dieser Metalle, insbesondere Platin, Platinlegierungen oder Platinrhodium-Legierungen. Die hohe Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit der Metalle bzw. Legierungen gewährleistet die Langzeitbeständigkeit der einzelnen Vorrichtungsteile. Gleichzeitig wird eine Verunreinigung der Schmelze durch Korrosions- oder Erosionsprodukte der Feuerfestmaterialen zuverlässig vermieden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19935838 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Dosierung und zur Zuführung niedrigviskoser Schmelzen umfassend eine Dosierzelle (11) mit einem Aufnahmeraum (12), einen innerhalb des Aufnahmeraums (12) vertikal bewegbar angeordneten Dosierkolben (13) zur Veränderung des auslaufenden Massenstroms der Schmelze, wobei der Aufnahmeraum (12) der Dosierzelle (11) und der Dosierkolben (13) rotationssymmetrisch um eine zentrale Symmetrieachse R ausgebildet sind, sowie mindestens ein an eine Auslauföffnung (15) anschließendes Leitungssystem (29) zum Zuführen der aus der Auslauföffnung (15) ausströmenden Schmelze an mindestens eine nachgeordnete Prozessstufe, dadurch gekennzeichnet, dass die den Aufnahmeraum (12) begrenzende Seitenwand (14) der Dosierzelle (11) in wenigstens einem ersten Teilbereich (16) in Richtung der Auslauföffnung (15) unter einem ersten Winkel α zur Symmetrieachse R konisch zulaufend ausgebildet ist, sowie im Bereich der Auslauföffnung (15) zur Bildung eines Bodenwandabschnitts (17) mindestens einmal um einen zweiten Winkel β zwischen Seitenwand (14) und Symmetrieachse R in Richtung der Symmetrieachse R umgelenkt ist, wobei der Betrag des zweiten Winkels β größer als der Betrag des ersten Winkels α ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslauföffnung (15) der Dosierzelle (11) im Bodenwandabschnitt (17) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dosierkolben (13) korrespondierend zur Geometrie des ersten konisch verlaufenden Teilbereichs (16) des Aufnahmeraums (12) einen ersten konischen Teilabschnitt (18) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Winkels α' zwischen Mantellinie (19) des ersten konischen Teilabschnitts (18) des Dosierkolbens (13) und der Symmetrieachse R kleiner als der Betrag des ersten Winkels α ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dosierkolben (13) korrespondierend zur Geometrie des Bodenwandabschnitts (17) des Aufnahmeraums (12) einen zweiten konischen Teilabschnitt (21) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Winkels β' zwischen Mantellinie (35) des zweiten konischen Teilabschnitts (21) des Dosierkolbens (13) und der Symmetrieachse R kleiner als der Betrag des zweiten Winkels β ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslauföffnung (15) im Bodenwandabschnitt (17) mittels des Dosierkolbens (13) vollständig verschließbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierzelle (11) aus wenigstens zwei Teilstücken (23, 24) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstücke (23, 24) über einen oder mehrere Flansche (26) miteinander verbindbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierzelle (11) von einer umgebenden Keramik (27) abgestützt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierzelle (11) ortsfest ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitungssystem (29) relativ zur Dosierzelle (11) bewegbar ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Leitungssystem (29) mindestens ein Rohrleitungsabschnitt (30) mit einem Einlaufstutzen (31) zur Aufnahme der aus der Auslauföffnung (15) ausströmenden Schmelze zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufstutzen (31) trichterförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufstutzen (31) des jeweils ersten Rohrleitungsabschnitts (30) eines Leitungssystems (29) zur Auslauföffnung (15) der Dosierzelle (11) beabstandet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (29) mehrere über Koppelstellen (32) schwenkbar miteinander verbundene Rohrleitungsabschnitte (33) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung jeweils zweier Rohrleitungsabschnitte (30, 33) eines Leitungssystems (29) an den Koppelstellen (32) über einen Luftspalt erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (29) elektrisch beheizbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rohrleitungsabschnitt (30, 33) des Leitungssystems (29) separat beheizbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand (34) jedes Rohrleitungsabschitts (30, 33) des Leitungssystems (29) als elektrisches Heizelement ausgebildet und eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungsabschnitte (30, 33) jeweils am äußeren Umfang zumindest im Anfangs- und Endbereich Stromzuführungsflansche zur Einleitung eines Heizstromes aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (29) über eine indirekte Heizung beheizbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die indirekte Heizung als Widerstandsheizelement und/oder Strahlungselement ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die indirekte Heizung als elektromagnetische Induktionsheizung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die indirekte Heizung als Kombinationsheizung, umfassend mindestens ein Widerstandsheiz- und/oder Strahlungselement und/oder mindestens eine elektromagnetische Induktionsheizung, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (29) im Bereich des Einlaufstutzens (31) und/oder im Bereich der Koppelstellen (32) indirekt beheizbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungsabschnitte (30, 33) des Leitungssystems (29) zusätzlich indirekt beheizbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (29) mit einem Isolationsmittel ummantelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmittel ein Isolierbeton mit eingelagerten Keramikfasern ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Schmelze in Kontakt stehenden Bereiche der Vorrichtung ein Metall der Platingruppe oder eine Legierung mit zumindest einem dieser Metalle, insbesondere Platin, Platinlegierungen oder Platinrhodium-Legierungen, aufweisen.