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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermeidung von Clogging
in einer Stranggießanlage, insbesondere zur Vermeidung
von Ablagerungen am Durchflussspalt zwischen Stopfen und Einlass
des Gießrohrs am Boden des Zwischenbehälters.
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Stand der Technik
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Beim
Stranggießprozess wird der flüssige Stahl durch
ein Gießrohr vom Zwischenbehälter in die Stranggießkokille
geleitet. Der flüssige Stahlspiegel im Zwischenbehälter
und der Spiegel in der Kokille sind von einer ebenfalls flüssigen
Schlackenschicht bedeckt, um den Stahl vor Sauerstoffkontakt zu
schützen. Der Durchfluss im Gießrohr vom Zwischenbehälter
zur Stranggießkokille wird von einem verstellbaren Stopfenmechanismus
geregelt. Ein schematisches Beispiel für solch ein bekanntes
System ist in 1 dargestellt. Der Stopfen wird
dabei über eine Hydraulikzylindereinheit in Richtung des Gießrohrs
auf und ab bewegt und kann den Einlass des Gießrohrs mit
hohem Anpressdruck verschließen oder einen Durchflussspalt
für die Schmelze öffnen.
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Aufgrund
von Feststoffausscheidungen setzen sich allerdings mit der Zeit
das Gießrohr und insbesondere der Durchflussspalt zwischen
der Stopfenspitze und dem Gießrohr zu. Die Schichtdicke
solcher Ablagerungen nimmt im Verlauf des Gießprozesses
derart zu, dass die Ablagerungen im schlimmsten Fall sogar zu einem
vollständigen Verschließen und damit zum Gießabbruch
führen können. Dieser Effekt wird allgemein als
Clogging bezeichnet.
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Um
dem Problem des Cloggings entgegenzuwirken, sind im Stand der Technik
verschiedene Verfahren bekannt, die allerdings einige Nachteile aufweisen.
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In
einem bekannten Verfahren zur Vermeidung des Cloggings wird eine
Zufuhr von Inertgasen verwendet, die zum Beispiel direkt durch die
Stopfenstange zur Stopfenspitze geleitet werden, um dort Ablagerungen
zu verringern. Nachteilig ist allerdings, dass ständig
eine funktionierende Zufuhr von großen Mengen eines Inertgases,
wie z. B. Argon, gewährleistet werden muss, was erhöhte
Betriebs- und Wartungskosten verursacht. Zudem können durch
das Einleiten dieser Gase Verunreinigungen in der Schmelze resultieren.
Vor allem ist es aber auch möglich, dass die Stahlqualität
durch die Bildung von Hohlräumen negativ beeinflusst wird,
die beim Auswalzen des Stahls zu Oberflächenschäden
führen. Darüberhinaus können solche Systeme
nicht die Löslichkeit der sich ablagernden Stoffe erhöhen
und damit das Problem des Cloggings nicht bereits im Ansatz verhindern.
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Die
japanische Patentanmeldung
JP 58151949 zeigt
bspw. ein System, bei dem am Gießrohr seitlich ein piezoelektrischer
Oszillator vorgesehen ist, der das Gießrohr in Schwingungen
versetzen kann und damit versucht Ablagerungen am Gießrohr abzulösen
oder zu vermeiden. Ein schwerwiegender Nachteil dieses Systems ist
der Umstand, dass das gesamte Gießrohr in Schwingungen
versetzt wird, die sich auch auf die Schmelze in der Kokille übertragen.
Durch die Anregung der Schmelze und auch des flüssigen
Schlackenspiegels in der Kokille wird eine Verunreinigung der Schmelze
verursacht, da Schmelze und Schlacke vermischt wer den. Darüberhinaus
wird der flüssige Stahl nicht mehr vollständig vor
Sauerstoffkontakt geschützt. Weiterhin können Ablagerungen
an der Stopfenstange selbst nicht vermieden werden, woraus ebenfalls
ein langsames, zumindest teilweises, Zusetzen des Spalts zwischen Stopfen
und Gießrohr resultiert.
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Ein ähnliches
System ist in der japanischen Patentanmeldung
JP 06023500 offenbart, bei dem ebenfalls
piezoelektrische Elemente am Gießrohr, hier jedoch konzentrisch,
angebracht werden. Es ergeben sich analog die obigen Nachteile der
Verunreinigung.
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Allgemein
weisen Systeme, die piezoelektrische Oszillatoren am Gießrohr
vorsehen, das Problem auf, dass eine sehr aufwendige Kühlung
der Piezoelemente notwendig ist, da das Gießrohr von der weit
mehr als 1000°C heißen Schmelze durchströmt wird.
Weil das Rohr zur Schwingung angeregt werden soll, sind Isolierungsmaßnahmen
in der Regel kontraproduktiv.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird deshalb darin gesehen, eine
Stopfenvorrichtung bereitzustellen, welche die vorhergehend genannten Nachteile
zumindest zum Teil vermeidet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegend beanspruchte Erfindung weist die obigen Nachteile nicht
auf und ist vor allem durch eine Stopfenvorrichtung zur Regelung
des Durchflusses einer Schmelze von einem Zwischenbehälter
in eine Stranggießkokille durch ein Gießrohr gegeben, wobei
das Gießrohr auf der unteren Seite des Zwischenbehälters
angeordnet ist und einen Einlass aufweist und die Stopfenvorrichtung
folgendes umfasst: eine Stopfenstange, die an ihrem unteren Ende
eine Stopfenspitze umfasst, die derart ausgebildet ist, dass sie
den Einlass des Gießrohres verschließen kann,
wobei die Vorrichtung einen Piezoaktor umfasst, der mit der Stopfenstange
verbunden ist und der Piezoaktor derart ausgebildet und angeordnet
ist, dass er die Stopfenstange in Schwingung versetzt.
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Durch
die vorteilhafte Anordnung des Piezoaktors kann einem Verstopfen
bzw. einem Zusetzen zwischen Stopfenspitze und Gießrohreinlass
wirksam entgegengewirkt werden. Durch die Schwingungen des Piezoaktors,
die sich auf die Schmelze übertragen, wird die Löslichkeit
der Schmelze genau in Richtung der Schwingung gezielt erhöht,
so dass bereits das Ablagern von Feststoffen im Vorhinein verhindert
wird. Zudem entsteht Kavitation, die bewirkt, dass sich bereits
abgelagerte Stoffe wieder von Wänden, d. h. von der Stopfenspitze
und dem Gießrohr lösen. Dadurch, dass der Piezoaktor
mit der Stopfenstange verbunden ist, wird im Gegensatz zum Stand der
Technik nicht das Gießrohr in Schwingungen versetzt, wodurch
keine Durchmischung der Schlackenschicht in der Kokille mit der
Schmelze der Kokille erfolgt und so unerwünschte Verunreinigungen
vermieden werden. Insbesondere ist durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung aber auch sichergestellt, dass die Schwingungen des
Piezoaktors keine ungewollte Durchmischung des Schlackenspiegels
im Zwischenbehälter mit der Schmelze hervorrufen.
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Gemäß einem
ersten vorteilhaften Ausführungsbeispiel versetzt der Pieozoaktor
die Stopfenstange in Schwingungen in Richtung ihrer Längsachse,
weil dann Ablagerungen besonders effektiv verhindert werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Stopfenvorrichtung
ist der Piezoaktor in der Stopfenstange angeordnet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Stopfenvorrichtung
ist der Piezoaktor derart ausgebildet, dass er Schwingungen im Ultraschallbereich
erzeugt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Stopfenvorrichtung
ist der Piezoaktor im oberen Teil der Stopfenstange angeordnet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Stopfenvorrichtung
umfasst die Stopfenstange Mittel zur Kühlung des Piezoaktors,
vorzugsweise eine Pressluftkühlung. Eine solche Kühlung
ist sehr einfach und preiswert zu realisieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Stopfenvorrichtung
umfasst die Stopfenvorrichtung mindestens zwei Piezoaktoren. Durch
die Anordnung von mehr als einem Piezoaktor kann zum Beispiel die Amplitude
der Schwingung erhöht werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Stopfenvorrichtung
ist die Stopfenvorrichtung zur Nachrüstung in einer bestehenden
Stranggießanlage ausgebildet.
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Neben
der Stopfenvorrichtung umfasst die Erfindung weiterhin eine Stranggießanlage,
welche ihrerseits folgendes umfasst: einen Zwischenbehälter,
eine Stranggießkokille, ein Gießrohr, welches derart
ausgebildet ist, dass eine Schmelze vom Zwischenbehälter
in die Stranggießkokille fließen kann und welches
auf der unteren Seite des Zwischenbehälters angeordnet
ist und einen Einlass umfasst, wobei die Stranggießanlage
eine Stopfenvorrichtung nach einer der obigen Ausführungsformen
umfasst.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im
Folgenden werden kurz die Figuren der Ausführungsbeispiele
beschrieben. Weitere Details sind der detaillierten Beschreibung
der Ausführungsbeispiele zu entnehmen. Es zeigen:
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1:
ein Schema eines Stopfenmechanismus nach dem Stand der Technik;
und
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2:
ein Schema eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels
eines Stopfenmechanismus zur Vermeidung von Clogging.
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Detaillierte Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Zunächst
wird kurz, der bereits bekannte Aufbau eines Stopfenmechanismus
bzw. die Funktionsweise einer Stopfenvorrichtung anhand von 1 beschrieben.
Wie dort gezeigt, ist eine Stopfenvorrichtung 1' Teil einer
Stranggießanlage, bei welcher Schmelze 100 aus
einem Konverter 40 in einen Zwischenbehälter 10 gefüllt
wird. Am Boden des Zwischenbehälters 10 ist eine Öffnung,
die in ein Gießrohr 30 mündet. Das Gießrohr 30 dient
zum Einfüllen der Schmelze in eine Kokille 20.
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Dargestellt
ist in 1 insbesondere eine Stopfenvorrichtung 1',
die eine Stopfenstange 2' mit einer Stopfenspitze 3' umfasst,
wobei die Stopfenstange 2' an einer Stopfenfahne 4' angebracht
ist. Die gesamte Anordnung kann z. B. mit Hilfe einer Hydraulikzylindereinheit 5' entlang
der Linie C' auf und ab bewegt werden, so dass der Einlass eines
Gießrohrs am Boden eines Zwischenbehälters (nicht
abgebildet) unterhalb der Stopfenspitze 3' verschlossen oder
geöffnet werden kann.
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Zu
Beginn eines Gießprozesses wird die Stopfenspitze 3' auf
die Einlassöffnung des Gießrohrs entlang der Linie
A' gepresst, wobei sich die Stopfenfahne 4' bei größer
werdendem Druck in der Regel durchbiegt, was durch die gestrichelten Linien B'
dargestellt ist. Soll nun Schmelze in die Kokille, die sich unterhalb
des Zwischenbehälters befindet, eingeleitet werden, wird
die Stopfenanordnung durch die Hydraulikzylindereinheit 5' entlang
der Linie C' nach oben bewegt, wodurch zunächst die Stopfenfahne 4' entspannt
wird. Darauffolgend öffnet sich ein Durchlassspalt zwischen
der Stopfenspitze 3' und dem Einlass des Gießrohrs,
das vom Boden des Zwischenbehälters bis unter den Gießspiegel
der Schmelze innerhalb der Kokille ragt. Insgesamt sei in Bezug
auf 1 noch einmal betont, dass eine solche beschriebene
Anordnung dem Fachmann geläufig ist.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
einer Stopfenvorrichtung 1, wie sie in 2 dargestellt
ist, liegt eine Anordnung einer Stopfenstange 2, einer
Stopfenspitze 3 und einer Stopfenfahne 4 sowie
einer Hydraulikeinheit 5 vor, wie sie in der Beschreibung
zu 1 bereits erläutert wurde, allerdings
ist erfindungsgemäß zusätzlich ein Piezoaktor 6 in
der Stopfenstange 2 vorgesehen. Durch diesen Piezoaktor 6,
bzw. durch dieses Piezoelement 6, kann auf den Stopfen
bzw. die Stopfenstange 2 eine Ultraschallanregung aufgeprägt
werden. Die Ultraschallschwingung der Stopfenstange überlagert
sich dann der wesentlich langsameren Auf- oder Abwärtsbewegung
der Stopfenstange zum Öffnen oder Schließen derselben.
In der Regel wird die Ultraschallschwingung jedoch dann stattfinden,
wenn die Stopfenstange den Einlass grundsätzlich verschließt. Dabei
werden die Schwingungen vorzugsweise in Richtung der Stopfenspitze 3 bzw.
entlang Längsachse A der Stopfenstange 2 angeregt,
so dass eine Beeinflussung des Schlackenspiegels im Zwischenbehälter
oder in der Kokille durch entstehende Ultraschallwellen vermieden
wird. Weiterhin wird der Piezoaktor 6 bevorzugt oberhalb
der Schlackenschicht des Zwischenbehälters vorgesehen,
so dass entweder gar keine Kühlung oder nur eine geringe
Kühlung, etwa durch Pressluft oder andere übliche
Maßnahmen erforderlich ist.
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Es
ist jedoch je nach Anwendung auch möglich den Piezoaktor 6 an
einer anderen Stelle der Stopfenstange 2 vorzusehen, so
dass Schwingungen erzeugt werden, die Ablagerungen an der Stopfenspitze
und zumindest Einlass des Gießrohrs entgegenwirken bzw.
vermeiden. Vorzugsweise befindet sich der Piezoaktor darüberhinaus
zwischen zwei Teilen der Stopfenstange 2 und verbindet
so einen oberen Teil der Stange 2 mit einem unteren Teil
der Stange 2. Das bedeutet, dass der Piezoaktor 6 aufgrund
seiner kompakten Form bevorzugt in der Stopfenstange 2 integriert
ist. Es ist aber prinzipiell auch möglich den Piezoaktor 6 am
oberen Ende der Stopfenstange 2 vorzusehen oder ihn auf
eine andere Art und Weise anzuordnen, dass er Schwingungen in Richtung
der Stopfenspitze erzeugt. Durch solch einen vorgesehenen Piezoaktor 6 werden
im Allgemeinen Suspensionen mit Feststoffen und Emulsionen mit Flüssigkeiten
erzeugt. So kann ein Abscheiden von Rückständen
von vornherein vermieden werden. Die Ultraschallanregung führt
außerdem über das Erhöhen der Löslichkeit
hinaus zu Kavitationen, welche zum Ablösen von bestehenden
Ablagerungen am Gießrohr und an der Stopfenspitze 3,
bzw. dem unteren Ende der Stopfenstange 3, führt.
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Je
nach Anwendung ist es auch möglich mehrere Piezoaktoren 6 an
oder in der Stopfenstange 2 vorzusehen, wodurch bei Hintereinanderschaltung
z. B. die Amplitude der Schwingungen erhöht werden kann.
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Generell
können kommerzielle Piezoaktoren 6 den beim Bewegen
des Stopfens auftretenden Zug- und Druckbelastungen ohne weiteres
standhalten, wodurch sie sich langlebig und robust in der Stopfenstange 2 zur
Erzeugung von Ultraschallwellen eingesetzt werden können.
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Allgemein
kann die genaue Konstruktion der Stopfenvorrichtung von den lediglich
schematisch abgebildeten Systemen abweichen, so dass die gezeigten
Figuren keinesfalls als einschränkend verstanden werden
sollen. Der Fachmann kann somit verschiedene konstruktive Details
anders als gezeigt ausbilden und eine erfindungsgemäße
Vorrichtung auch für bereits bestehende Stranggießanlagen
vorse hen, insbesondere zum Zweck einer Nachrüstung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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- 1
- Stopfenvorrichtung
- 1'
- Stopfenvorrichtung
nach dem Stand der Technik
- 2,
2'
- Stopfenstange
- 3,
3'
- Stopfenspitze
- 4,
4'
- Stopfenfahne
- 5,
5'
- Hydraulikzylindereinheit
- 6
- Piezoaktor
- A,
A'
- Längsachse
der Stopfenstange
- B'
- Stopfenfahne
- C'
- Bewegungsachse
des Hydraulikkolbens
- 10
- Zwischenbehälter
- 20
- Stranggießkokille
- 30
- Gießrohr
- 40
- Konverter
- 100
- Schmelze
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 58151949 [0006]
- - JP 06023500 [0007]