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Die Erfindung betrifft eine Bodenausgussdüse für die Anordnung im oder am Boden eines metallurgisches Gefäßes, mit einem oberen, vorzugsweise zum Anschluss an ein metallurgisches Gefäß oder an einen Schieberverschluss eines metallurgischen Gefäßes vorgesehenen Ende und mit einem unteren Ende, wobei zwischen den beiden Enden ein Durchflusskanal angeordnet ist mit mindestens einer am unteren Ende angeordneten unteren Ausgussöffnung, wobei die radial nach Außen weisende Wand des Durchflusskanals von einem gasdichten Gehäuse umgeben ist. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Bodenausgussdüse.
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Insbesondere bei Stahlschmelzen wird das flüssige Metall aus einem metallurgischen Gefäß letztlich in eine Gießform gegossen. Insbesondere kann eine solches metallurgisches Gefäß eine Gießpfanne (auch Ladle genannt) oder ein sogenannter Verteiler (auch Zwischenpfanne oder Tundish genannt) sein. Aus der Gießpfanne wird das flüssige Metall in den Verteiler und aus diesem Verteiler in eine Gießform einer Stranggussanlage gegossen. Dabei fließt es durch eine im Boden der Gießpfanne beziehungsweise des Verteilers angeordneten Bodenausgussdüse (eine sogenannte Nozzle).
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Nachteilig ist das Anhaften von Material an der Wand der Bodenausgussdüse, das sich während des Durchfließens ansammelt. Dadurch verkleinert sich der Öffnungsquerschnitt, so dass die Strömungsverhältnisse und damit die Stahlqualität nachteilig beeinflusst werden, unter anderem durch Turbulenzen. Das angesammelte Material kann abbrechen und Einschlüsse hervorrufen, die die Stahlqualität beeinflussen.
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Um ein Anhaften von Material an der Wand zu verhindern, wird vielfach ein Inertgas wie Argon in den Durchflusskanal eingeleitet. Zu große Gasmengen können jedoch ebenfalls die Stahlqualität negativ beeinflussen, beispielsweise durch die Bildung von Hohlräumen im Stahl, die beim Auswalzen des Stahls zu Oberflächenschäden führen.
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Ein Material für eine Bodenausgussdüse wird beispielsweise in
WO 2004/035249 A1 beschrieben. Eine Bodenausgussdüse innerhalb eines metallurgischen Gefäßes wird in
KR 2003-0017154 A oder in
US 2003/0116893 A1 offenbart. In der letztgenannten Druckschrift ist auf die Verwendung von Inertgas dargestellt mit den Ziel, das Anhaften von Material an der Innenwand der Bodenausgussdüse (sogenanntes Clogging) zu reduzieren, ähnlich wie dies in
JP 2187239 beschrieben wird. Recht ausführlich ist ein Mechanismus mit einer Gaszufuhrregulierung aus
WO 01/56725 A1 bekannt. Stickstoff wird gemäß der japanischen Druckschrift
JP 8290250 zugeführt.
JP 3193250 offenbart ein Verfahren zur Beobachtung des Anhaftens bzw. Festsetzens von Material mit Hilfe einer Vielzahl von Längs der Bodenausgussdüse hintereinander angeordneten Temperatursensoren. Das Einleiten von Inertgas in das Innere der Bodenausgussdüse ist des weiteren unter anderem aus
JP 2002210545 ,
JP 61206559 ,
JP 58061954 und
JP 7290422 bekannt.
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Aus einigen dieser Druckschriften ist es außerdem bekannt, zusätzlich zu der Zuleitung von Inertgas den Sauerstoffzutritt möglichst zu verhindern durch Einsatz von Gehäusen um einen Teil der Bodenausgussdüse herum. Teilweise wird dabei, wie beispielsweise in
JP 8290250 , ein Inertgas-Überdruck innerhalb eines solchen Gehäuses erzeugt. Zur Verhinderung des Eintritts von Sauerstoff wird um ein Schieber-Ventil der Bodenausgussdüse herum ein Gehäuse in
JP 11170033 offenbart. Der Durchfluss der Metallschmelze durch die Bodenausgussdüse wird gemäß den vorstehend genannten Druckschriften durch Schieber-Ventile gesteuert. Dieser Schieber gleiten senkrecht zur Durchflussrichtung des Metalls und können dadurch die Bodenausgussdüse verschließen. Eine andere Möglichkeit der Durchflussregelung ist eine sogenannte Stopfenstange (auch Stopper Rod genannt), wie beispielsweise aus
JP 2002143994 bekannt.
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In der koreanischen Druckschrift
KR 1020030054769 A ist die Anordnung eines zusätzlichen Gehäuses um das Ventil einer Bodenausgussdüse herum beschrieben. Das in dem Gehäuse befindliche Gas wird mittels einer Vakuumpumpe abgesaugt.
JP 4270042 beschreibt ein ähnliches Gehäuse. Hier wird, wie in anderen oben genannten Druckschriften innerhalb des Gehäuses eine nicht oxidierende Atmosphäre erzeugt. Das Gehäuse weist eine Öffnung auf, durch die Inertgas zugeführt werden kann. Eine weitere Anordnung, bei der Gas aus dem die Bodenausgussdüse teilweise umgebenden Gehäuse abgesaugt wird, um innerhalb des Gehäuses ein Vakuum zu erzeugen, ist aus
JP 61003653 bekannt.
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Weitere Bodenausgussdüsen sind beispielsweise aus
DE 10 2004 057381 bekannt. Hier wird versucht, mit Hilfe einer gesteuerten Inertgaszugabe oder durch nahezu vollständige Abdichtung der gesamten Mantelfläche der Bodenausgussdüse und damit verbundene Verhinderung eines Sauerstoffzutritts durch die Wand der Bodenausgussdüse in die Stahlschmelze das Problem des Anhaftens zu vermeiden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorhandenen Techniken weiterhin zu verbessern, um das Anhaften von Festsetzungen in der Düse eines Bodenausgusses auf einfache und zuverlässige Weise zu minimieren, ohne dabei die Qualität der Metallschmelze bzw. des erstarrten Metalls zu beeinträchtigen.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass gute Ergebnisse für eine Bodenausgussdüse für die Anordnung im Boden eines metallurgisches Gefäßes, mit einem oberen, vorzugsweise zum Anschluss an ein metallurgisches Gefäß oder an einen Schieber-Ventil eines metallurgischen Gefäßes vorgesehenen Ende und mit einem unteren Ende, wobei zwischen den beiden Enden ein Durchflusskanal angeordnet ist mit mindestens einer am unteren Ende angeordneten unteren Ausgussöffnung, wobei die radial nach Außen weisende (feuerfeste) Wand des Durchflusskanals von einem gasdichten Gehäuse umgeben ist, dadurch erzielt werden können, dass nicht nur der Umfang der Bodenausgussdüse, also die radial nach Außen weisende Wand des Durchflusskanals von einem gasdichten Gehäuse umgeben ist, sondern dadurch, dass das Gehäuse der Bodenausgussdüse auch das untere Ende mit der mindestens einen Ausgussöffnung gasdicht umschließt. Unter gasdicht ist dabei natürlich keine absolute Leckagefreiheit zu verstehen, sondern, dass das Eindringen von Gas, hauptsächlich atmosphärischer Sauerstoff und Stickstoff, im Wesentlichen verhindert beziehungsweise gestoppt wird.
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Es ist für den Fachmann klar verständlich, dass die Bodenausgussdüse, das Schieber-Ventil (oder ein Stopfenstangenverschluss) und eine weitere obere Düse, die von einem Gehäuse umgeben und in dem Boden des metallurgischen Gefäßes oberhalb des Schieber-Ventils angeordnet ist, gasdicht miteinander verbunden sind und auf diese Weise ein System einer komplett abgedichteten Düsenanordnung darstellen.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben einer Bodenausgussdüse, zum Beispiel unter Verwendung der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Bodenausgussdüse, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bodenausgussdüse an einem Schieber-Ventil oder einem Stopfenstangenverschluss eines metallurgischen Gefäßes angeordnet und vor Öffnung des Schieberventils oder des Stopfenstangenverschlusses in der Bodenausgussdüse entweder ein Vakuum erzeugt wird oder eine Inertgasspülung mit anschließender Erzeugung eines Inertgasüberschusses oder eines Überdruckes erfolgt und dass danach das Schieber-Ventil oder der Stopfenstangenverschluss geöffnet werden.
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Als Inertgas kann vorzugsweise Argon verwendet werden. Auf diese Weise wird Sauerstoff aus der Bodenausgussdüse zumindest teilweise entfernt, also ein Sauerstoffunterschuss oder ein niedriger Sauerstoffpartialdruck erzeugt. Der Überdruck beziehungsweise das Vakuum (Unterdruck) besteht in dem kompletten Volumen innerhalb des gasdichten Gehäuses. Der Begriff „in der Bodenausgussdüse” bedeutet also der Raum innerhalb des Gehäuse oder der Außenwand und einschließlich des internen Volumens und der Poren des gesamten Ausgusskanals.
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Vor Einlauf der Stahlschmelze besteht dieser Unter- oder Überdruck auch im Durchflusskanal. Bei Einfließen der Stahlschmelze in die Bodenausgussdüse beziehungsweise in deren Durchflusskanal, nach dem Öffnen des Schieber-Ventils oder des Stopfenstangenverschlusses schmilzt das Gehäuse wenn es mit der Stahlschmelze in Berührung kommt im Bereich der mindestens einen Ausgussöffnung, so dass die Stahlschmelze in den darunterliegenden Behälter fließen kann. Nach dem Öffnen kann die Bodenausgussdüse entweder unter Vakuum oder unter Inertgas betrieben werden.
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Eine Form der Bodenausgussdüsen ist die sogenannte Eintauchdüse, in Fachkreisen als SEN oder SES (engl. Submerged Enty Nozzle oder Submerged Entry Shroud) bezeichnet. Diese taucht mit ihrem unteren Ende in die in dem darunterliegenden metallurgischen Gefäß befindliche Stahlschmelze ein, wobei das Gehäuse schmilzt, wenn es mit dem flüssigen Stahl in Kontakt kommt, so dass ein freier Durchfluß möglich ist.
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Es ist vorteilhaft, dass das Gehäuse mehrere miteinander gasdicht verbundene, vorzugsweise übereinander angeordnete Gehäuseteile aufweisen kann. Vorzugsweise ist das Gehäuse aus Metall, wie Stahl, gebildet, so dass es ausreichend widerstandsfähig ist und trotzdem bei Kontakt mit der Stahlschmelze schmilzt. Das Metall des Gehäuses wird je nach Anwendungszweck so ausgewählt, dass es durch das Metall in dem die Schmelze empfangenden Gefäß geschmolzen wird.
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Es kann auch vorteilhaft sein, dass das Gehäuse ein aus Stahl gebildetes unteres Gehäuseteil aufweist, das mindestens das untere Ende mit der mindestens einen Ausgussöffnung gasdicht umschließt und dass darüber ein als integraler Bestandteil der Wand ausgebildetes gasdichtes Gehäuseteil angeordnet ist, dass also die Ausgussöffnung von einer Art Kappe verschlossen ist, während der darüber liegende Umfang (die Wand) der Bodenausgussdüse eine gasdicht ausgebildete Schicht, insbesondere Oberfläche, aufweist, die im Sinne der Erfindung als Gehäuseteil anzusehen ist.
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Es kann vorteilhaft sein, dass das Gehäuse ein aus Stahl gebildetes unteres Gehäuseteil aufweist, welches in das untere Ende mit der mindestens einen Ausgussöffnung gasdicht eingesetzt ist und dass ein gasdichtes Gehäuseteil als integraler Bestandteil der Wand darüber angeordnet ist, so dass die Ausgussöffnung durch einen Stopfen verschlossen ist, wodurch der äußere Umfang der Bodenausgussdüse einschließlich des Stopfens eine gasdichte Schicht, insbesondere Oberfläche, aufweist, die einschließlich des Stopfens als Gehäuseteil im Sinne der Erfindung angesehen wird.
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Es kann ferner vorteilhaft sein, eine Schicht aus einem trennenden Material, wie eine dem Fachmann bekannte Papierumhüllung anzubringen, um das Anhaften von Schlacke oder Absonderungen zu verhindern, die typischer Weise an der Oberfläche des einzutauchenden Bereichs des Metallgehäuses vorhanden sind und das Schmelzen dieses Gehäuses beschleunigen.
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Zweckmäßig ist es, dass innerhalb des Gehäuses ein Gettermaterial, vorzugsweise aus mindestens einem Metall aus der Gruppe Silizium, Kalzium, Titanium, Aluminium, Magnesium oder Zirconium angeordnet ist. Damit kann noch im Gehäuse vorhandener freier Sauerstoff gebunden werden.
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Das feuerfeste Material der Wand kann eine geringe Porosität von 2 bis 13%, vorzugsweise kleiner 10% aufweisen. Solches Material, beispielsweise kohlenstoffimprägniertes Aluminiumoxid-Graphit-Material, kann eine im Sinne der Erfindung ausreichende Dichtung darstellen. Standard-Feuerfestmaterial hat eine Porosität von mehr als 16%.
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Desweiteren ist es von Vorteil, dass in der Wand des Durchflusskanals eine Heizung angeordnet ist, um die Bodenausgussdüse vor Verwendung vorheizen zu können und Temperaturschocks zu vermeiden oder zu verringern.
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Vorzugsweise wird eine Schicht eines trennenden Materials, wie Papier, um die äußere Oberfläche der Bodenausgussdüse herum angeordnet. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass die äußere Oberfläche der Wand an dem oberen Ende, unterhalb des gasdichten Gehäuses, von einer isolierenden Zementdichtung umgeben ist, wobei die Zementdichtung vorzugsweise einen hitzebeständigen gießbaren Zement enthält, vorzugsweise mit mindestens einem der Gruppe Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Magnesiumoxid. Desweiteren ist es bevorzugt, dass der äußere Umfang der Wand an dem unteren Ende, unterhalb des gasdichten Gehäuses, von einem isolierenden Material, insbesondere Keramikpapier oder Fasergewebe aus keramischen Fasern, umgeben ist. Das isolierende Material kann unmittelbar unterhalb der Zementdichtung angeordnet sein.
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Es ist auch bevorzugt, dass unterhalb des gasdichten Gehäuses, insbesondere zwischen dem gasdichten Gehäuse und der Wand, Gaskanäle in Längsrichtung der Düse angeordnet sind.
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Ein erfindungsgemäßes Schieber-Ventil für die Verwendung mit einer Bodenausgussdüse und insbesondere für die Verwendung mit einer oben definierten Bodenausgussdüse, welches ein gasdichtes äußeres Gehäuse enthält, ist dadurch gekennzeichnet, dass das gasdichte Gehäuse mindestens einen Gaseinlass und mindestens einen Gasauslass enthält. Der mindestens eine Gaseinlass kann dazu verwendet werden, um Inertgas wie Argon in das Gehäuse zu pumpen und der mindestens eine Gasauslass kann dazu verwendet werden, ein Vakuum innerhalb des Gehäuses zu erzeugen.
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Vorteilhaft ist ein Verfahren, bei dem nach Öffnen des Schieber-Ventils oder des Stopfenstangenverschlusses entweder
- a) ein Inertgasüberdruck erzeugt wird, wenn vor dem Öffnen ein Unterdruck vorhanden war oder
- b) ein Unterdruck erzeugt wird, wenn vor dem Öffnen ein Überdruck vorhanden war.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, dass der Unterdruck 1 bis 1013 mbar, insbesondere 150 bis 1013 mbar, und der Überdruck 1013 bis 1500 mbar oder mehr beträgt, das heißt, der Überdruck liegt oberhalb des atmosphärischen Drucks.
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Insbesondere kann bei einer Bodenausgussdüse einer Gießpfanne zuerst ein Vakuum (Unterdruck) erzeugt werden und später, nach Öffnen, ein Inertgasüberdruck. Bei dem Bodenausguss eines Verteilers ist es vorteilhaft, zuerst einen Inertgasüberdruck zu erzeugen und nach dem Öffnen ein Vakuum.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand einer Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 eine Bodenausgussdüse für einen Verteiler
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2 eine weitere Bodenausgussdüse für einen Verteiler
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3 eine dritte Variante für eine Bodenausgussdüse für einen Verteiler
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4 eine Bodenausgussdüse für eine Gießpfanne
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5 eine weitere Bodenausgussdüse für eine Gießpfanne
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6 die Anordnung einer Bodenausgussdüse an einem Verteiler und
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7 die Anordnung einer Bodenausgussdüse an einer Gießpfanne.
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Die in 1 dargestellte Bodenausgussdüse weist einen Durchflusskanal 1 mit mehreren seitlichen Ausgussöffnungen 2 auf. Die Wand 3 des Durchflusskanals 1 ist im Wesentlichen aus einer Mischung aus Aluminiumoxid und Graphit gebildet. An ihrem oberen Ende ist eine Befestigungsmanschette 4 angeordnet zur Anordnung an einem Schieber-Ventil, das den Hauptteil des komplett abgedichteten Systems darstellt. Der äußere Umfang der Wand 3 ist am oberen Ende von einer isolierenden Zementdichtung 5 umgeben, darunter ist ein isolierendes Material 6, zum Beispiel Keramikpapier oder eine Fasermatte aus keramischen Fasern angeordnet. Auf der Zementdichtung 5 und dem isolierenden Material 6 ist ein gasdichtes Gehäuse 7 angeordnet. Dieses umschießt die gesamte Bodenausgussdüse bis hin zur Befestigungsmanschette 4 und enthält lediglich eine Öffnung 8 zur Einleitung von Inertgas (Argon). Das Inertgas kann zur Spülung in einen Spalt zwischen dem gasdichten Gehäuse 7 und dem isolierenden Material 6 eingeleitet werden. Oberhalb der Ausgussöffnungen 2 ist ein sogenanntes Schlackeband 9 aus Zirconiumgraphit angeordnet. Die Ausgussöffnungen 2 sind von dem Gehäuse 7 verschlossen.
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In 2 ist eine ähnliche Bodenausgussdüse dargestellt. Sie weist an ihrem unteren Ende eine Kappe 10 aus beispielsweise Stahl auf, die die Ausgussöffnungen 2 verschließt. Zumindest oberhalb der Kappe 10 ist mindestens die äußere Oberfläche der Wand 3 gasdicht, bildet also ein gasdichtes Gehäuseteil. An der äußeren Oberfläche der Kappe 10 ist eine Schicht eines trennenden Materials 10', wie zum Beispiel Papier, angeordnet. Die trennende Schicht 10' kann auch die gesamte äußere Oberfläche der Bodenausgussdüse bedecken.
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3 zeigt eine ähnliche Anordnung wie 1, wobei innerhalb der Wand 3 ein umlaufender Schlitz 27 mit der Öffnung 8 verbunden ist. Damit kann Argon in die Wand eingeleitet und ein Argon-Überdruck erzeugt werden.
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Die Bodenausgussdüse für eine Gießpfanne (4) ist prinzipiell ähnlich aufgebaut, sie weist jedoch einen gerade durchgehenden Durchflusskanal 1' und eine zentrisch am unteren Ende angeordnete Ausgussöffnung 2' auf. Eine ähnliche Anordnung ist in 5 dargestellt, wobei die Ausgussöffnung 2' durch einen gasdichten Stopfen 28 verschlossen und mindestens die äußere Oberfläche der Wand 3 gasdicht ausgebildet ist. Der Stopfen 28 kann durch den Einfluß der in dem metallurgischen Gefäß befindlichen Metallschmelze geschmolzen, verbrannt oder aufgelöst werden und die Ausgussöffnung 2' freigeben. Er kann zum Beispiel aus einem Metall wie Stahl, Edelstahl oder Kupfer sein.
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In 6 ist die Anordnung einer Bodenausgussdüse als untere Düse 11 an einem Verteiler 12 dargestellt. Der Verteiler 12 weist eine mehrschichtige Auskleidung 13 auf, die die Verteilerwand 14 schützt. Im Boden des Verteilers 12 ist eine obere Düse 15 angeordnet, in deren Material Elektroden 16 eingebettet sind und wobei die Außenseite 29 der oberen Düse 15 gasdicht ausgebildet ist. Am oberen Ende ist die obere Düse 15 zum Schutz von einem Lochstein 17 umgeben. An der Unterseite der oberen Düse 15, unterhalb des Bodens des Verteilers 12, ist ein Schieber-Ventil 18 angeordnet, umgeben von einem gasdichten Schieber-Gehäuse 19, welches an seinem oberen Ende mit der Außenseite 29 der oberen Düse 15 und an seinem unteren Ende mit dem gasdichten Gehäuse 7 jeweils gasdicht verbunden ist. In dem Schieber-Gehäuse 19 ist ein Einlass 20 für Inertgas und ein Anschluss 21 für eine Vakuumpumpe vorgesehen.
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7 zeigt die Anordnung einer Bodenausgussdüse an einer Gießpfanne 22 sowie den darunter angeordneten Verteiler 12. Der Verteiler enthält neben seinem Auslass 23 in seinem Inneren sogenannte Prallplatten 24, die die Stahlschmelze mechanisch beruhigen, also zu große Turbulenzen verhindern sollen. An der Gießpfannen-Öffnung (Schieber-Ventil) 25 ist die in 4 dargestellte Bodenausgussdüse angeordnet. Der Einlass für Inertgas sowie der Anschluss für eine Vakuumpumpe sind in der 7 zur Vereinfachung nicht dargestellt. Für einen Fachmann. ist es klar, dass die allgemeine mechanische Anordnung der beschriebenen Komponenten der Erfindung, die zur Beförderung der Metallschmelze aus der Gießpfanne in den Verteiler und von dort in die Gießform sehr ähnlich sind und eine herkömmliche Gestalt und Funktion aufweisen. Die Gießpfanne 22 selbst weist an ihrer Innenseite mehrschichtige Auskleidungen 26 auf.
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Vor Beginn des Gießvorganges ist das Schieber-Ventil 25 geschlossen, es wird in dem Durchflusskanal 1', 4, einer Gießpfanne ein Vakuum erzeugt, um Sauerstoff zu entfernen. Damit wird auch ein Vakuum in dem Durchflußkanal 1', in der Wand der Bodenausgussdüse, also zwischen der den Durchflusskanal 1' umgebenden Innenwand und dem äußeren Gehäuse sowie in dem Schieber-Ventil 25 ein Unterdruck (Vakuum) erzeugt. Beim Einlaufen der Stahlschmelze in den Durchflusskanal 1' schmilzt das gasdichte Gehäuse 7 im Bereich der Ausgussöffnung 2', wenn es in Kontakt mit der Stahlschmelze kommt, so dass die Stahlschmelze in das darunter angeordnete Gefäß (Verteiler 12) fließen kann. Der Unterdruck wurde in einem Beispiel im Bereich von 700 bis 800 mbar geregelt, der anschließende Überdruck wurde auf maximal 1500 mbar eingestellt.
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Am Auslauf des Verteilers 12 ist ebenfalls eine Bodenausgussdüse angeordnet. In ihr wird zunächst ein Überdruck mit einem Argondruck von maximal 1500 mbar erzeugt. Beim Einlaufen der Stahlschmelze in den Durchflusskanal 1 schmilzt das gasdichte Gehäuse 7 im Bereich der Ausgussöffnung 2, so dass die Stahlschmelze in das darunter angeordnete Gefäß fließen kann. Das Gas wird aus der Bodenausgussdüse abgepumpt, so dass ein Vakuum entsteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/035249 A1 [0005]
- KR 2003-0017154 A [0005]
- US 2003/0116893 A1 [0005]
- JP 2187239 [0005]
- WO 01/56725 A1 [0005]
- JP 8290250 [0005, 0006]
- JP 3193250 [0005]
- JP 2002210545 [0005]
- JP 61206559 [0005]
- JP 58061954 [0005]
- JP 7290422 [0005]
- JP 11170033 [0006]
- JP 2002143994 [0006]
- KR 1020030054769 A [0007]
- JP 4270042 [0007]
- JP 61003653 [0007]
- DE 102004057381 [0008]
