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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spüler mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Spüler für metallurgische Schmelzgefäße sind in zahlreichen Ausführungsformen seit Jahren bekannt und haben sich bewährt.
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Spüler werden als Teil von Gasspüleinrichtungen eingesetzt, die verschiedene Gase durch die feuerfeste Auskleidung eines metallurgischen Schmelzgefäßes hindurch in die Metallschmelze einblasen, wodurch in der Metallschmelze eine Rührwirkung hervorgerufen wird oder verschiedene metallurgische Reaktionen ausgelöst werden.
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Gasspüleinrichtungen weisen zur Gasspülung entweder einen feuerfesten Spüler bzw. Spülstein auf, in welchem Fall der Gasdurchgang durch die offenen Poren zwischen den feuerfesten Körnern erfolgt, oder sie enthalten einen wenig oder nicht porösen feuerfesten Spülstein, in dem Schlitze oder Kanäle ausgebildet sind, durch welche der Gasdurchgang erfolgt. Idealerweise wird die Gasspüleinrichtungen bei Gasdrücken von 3 bis 7 bar betrieben, so dass eine ausreichende Durchflussmenge erreicht wird und ein Rückfluss der Schmelze in den Spüler nicht erfolgt.
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Die Gasspüleinrichtungen unterliegen einem erheblichen chemischen, mechanischen und thermomechanischen Verschleiß. Bei Spülern mit gerichteter Porosität besteht zusätzlich die Gefahr einer Infiltration von Metallschmelze in den Gasspülstein entlang der Schlitze oder Kanäle.
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Dabei setzt die erkaltete Schmelze die Gasdurchgänge des Spülers zu und der Gasdurchfluss blockiert. In diesem Fall wird die Gasspüleinrichtung mit einem hohen Druck beaufschlagt, der im Ergebnis dazu führt, dass die infiltrierte Zone des Spülsteins abgesprengt werden kann. Dadurch wird der Verschleiß des Spülers drastisch erhöht.
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Das Absprengen ist ein undefinierter Prozess bei dem nicht zwangsläufig nur die infiltrierte Zone entfernt wird. Zudem bricht der Spülstein nie exakt parallel zur Innenseite des Schmelzgefäßes ab, so dass die Gasdurchmischung der Schmelze im Schmelzgefäß beeinträchtigt wird.
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Infolge des hohen Verschleißes müssen die Spüler einer Gasspüleinrichtung regelmäßig ausgewechselt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spüler anzugeben, der einer Metallschmelzinfiltration entgegenwirkt und dessen Spülkern sich mit hoher Genauigkeit beim Absprengen der infiltrierten Zone verkürzt.
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Diese Aufgabe wird von einem Spüler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach ist ein Spüler für ein Gefäß zur Aufnahme von Metallschmelze mit einem konischen feuerfesten Spülstein, der einen Spülkern umgibt, wobei der Spülstein von einem konischen gasundurchlässigen Mantel umgeben ist, und wobei der Spülkern sich entlang einer Längsachse von einer kaltseitigen Stirnseite des Spülers zu einer heißseitigen Stirnseite des Spülers erstreckt, und mit einem Gaszuleitungssystem, welches Gas von der kaltseitigen Stirnseite zu der heißseitigen Stirnseite durch mindestens einen Kanal in dem Spülkern leitet, vorgesehen, wobei der Spülkern wenigstens zwei entlang der Längsachse aufeinandergesetzte Segmentbausteine aufweist. Durch diesen Aufbau des Spülkerns kann der Spülkern im Falle einer Infiltration von Metallschmelze mit hoher Genauigkeit durch Absprengen der infiltrierten Zone verkürzt werden.
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Vorzugsweise ist zwischen den Segmentbausteinen jeweils ein hohler Zwischenraum ausgebildet, der die Infiltration von Metallschmelze in gewissem Maße verhindert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Segmentbausteine eine Verdrehsicherung auf, die die Orientierung der Segmentbausteine zueinander um die Längsachse definiert.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Segmentbausteine wenigstens einen Kanal aufweisen. Durch diese Kanäle strömt das Gas von der kaltseitigen Stirnseite zur heißseitigen Stirnseite. Bevorzugt sind die Kanäle als Schlitze ausgebildet.
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Die Segmentbausteine sind konisch ausgebildet und verjüngen sich zur heißseitigen Stirnseite hin. Dadurch wird sichergestellt, dass im normalen Betrieb die Segmentbausteine nicht durch den Gasdruck in das Gefäß zur Aufnahme von Metallschmelze geblasen werden können. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Segmentbausteine zylindrisch mit seitlich angebrachten Vertiefungen oder Erhebungen ausgeformt sind.
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Vorzugsweise sind die Segmentbausteine so zueinander orientiert, dass der wenigstens eine Kanal durch alle Segmentbausteine hindurch einen durchgängigen Kanal bildet.
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In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass in dem wenigstens einen hohlen Zwischenraum ein Einleger angeordnet ist. Dieser Einleger kann eine fortschreitende Infiltration von Metallschmelze weiter verhindern. Dabei ist vorteilhaft, wenn der Einleger durchsetzende Ausnehmungen aufweist und bauchig ausgeformt ist.
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Vorzugsweise ist der Einleger aus Metall gefertigt, da Metall eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und somit die Infiltration weiter abgebremst werden kann.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Segmentbausteine baugleich sind. Dadurch können die Herstellungskosten gering gehalten werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1: einen erfindungsgemäßen Spüler mit Segmentbausteinen in einem Längsschnitt,
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2: einen erfindungsgemäßen Spüler mit Segmentbausteinen und metallischen Einlagen in einem Längsschnitt,
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3: eine räumliche Ansicht der metallischen Einlage,
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4: eine räumliche Ansicht von unten auf einen Segmentbaustein,
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5: eine räumliche Draufsicht auf einen Segmentbaustein,
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6: eine Ansicht des Segmentbausteins von oben,
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7: eine Ansicht eines Segmentbausteins mit Einlage von der Seite, sowie
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8: eine vergrößerte Ansicht der 2.
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Die 1 und 2 zeigen einen Spüler 1 mit einem konisch ausgeformten Spülstein 2, der sich zur heißseitigen Stirnseite 3 hin verjüngt. Der Spülstein 2 ist von einem konischen Blechmantel 4 umgeben, so dass die heißseitige Stirnseite 3 für den Austritt des Spülgases frei liegt. Der Blechmantel 4 wiederrum schließt an seiner kaltseitigen Stirnseite 3' an eine den Spülstein 2 abdeckende Bodenplatte 5 an. In der Bodenplatte 5 ist ein Ausschnitt 6 für eine zentrische Hauptgaszuleitung 7 vorgesehen, die mittels eines Flansches an der Bodenplatte 5 befestigt ist. Der rotationssymmetrische Blechmantel 4 ist mit der Bodenplatte 5 gasdicht verschweißt. Zwischen der Bodenplatte 5 und dem Spülstein 2 ist ein Gasverteilungsraum 8 freigehalten, in den die Hauptgaszuleitung 7 mündet. Der Spülstein 2 weist einen zentriert angeordneten Spülkern 9 auf, der sich von dem Gasverteilungsraum 8 bis zur heißseitigen Stirnseite 3 erstreckt und aus einer Vielzahl von aufeinandergesetzten einzelnen Segmentbausteinen 10 zusammengesetzt ist. Die Segmentbausteine 10 weisen in Längsrichtung des Spülers 11 parallel zueinander orientierte Schlitze 12 auf, die einen freien Querschnitt haben, so dass das Gas durch die Schlitze gerichtete durch den Spüler 1 von der kaltseitigen Stirnseite 3' bis zur heißseitigen Stirnseite 3 strömt. Die Segmentbausteine 10 sind dabei so aufeinandergesetzt, dass die Schlitze 12 der einzelnen Segmentbausteine 10 vom Gasverteilungsraum 8 zur heißseitigen Stirnseite 3 durchgängige Kanäle bilden. Weiterhin sind die Segmentbausteine 10 so ausgeformt, dass sich zwischen den aufeinander gesetzten Bausteinen jeweils ein hohler Zwischenraum 13 ausbildet. Die Segmentbausteine 10 sind baugleich und konisch ausgeformt. Die Segmentbausteine 10 verjüngen sich jeweils zur heißseitigen Stirnseite 3 hin.
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Im Fall einer Metallschmelzinfiltration läuft die Schmelze als erstes in die Kanäle 12 des heißseitigen Segmentbausteins 10'. Durch den zwischen den Bausteinen befindlichen Hohlraum 13 wird die Fließgeschwindigkeit der Schmelze stark verlangsamt, was dazu führt, dass die Schmelze sich abkühlt und erstarrt. Der Durchfluss zum nächstliegenden Segmentbaustein 10'' kann somit unterbrochen werden.
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Nach der Infiltration wird der Spüler 1 mit einem hohen Druck beaufschlagt, der dazu führt, dass die infiltrierte Zone abgesprengt werden kann. Durch die Bausteinweise des Spülkerns 9 wird dabei nur der einzelne bzw. die infiltrierten Segmentbausteine 10 entfernt. Dabei kommt es nicht zu einem undefinierten Bruch des Spülsteins bzw. Spülkerns 9, da die Segmentbausteine 10 nicht fest miteinander verbunden sind, sondern lose aufeinander sitzen. Dabei kann auch für eine gleichbleibend gerade und parallel zur Innenseite, des hier nicht dargestellten Schmelzgefäßes, orientierte Stirnseite 3 des Spülsteins garantiert werden, was für eine konstante Gasdurchmischung in dem Schmelzgefäß wünschenswert ist.
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Zur Herstellung des Spülsteins werden die aufeinander gestapelten Segmentbausteine 10 von einer Einfüllmasse in einer Gießform umgossen. Die Stapeltechnik der Bausteine 10 ist so gewählt, dass die Segmentbausteine 10 eine definierte Orientierung zueinander einnehmen und dass die hohlen Zwischenräume 13 zwischen den einzelnen Bausteinen 10 beim Gießprozess ausgespart werden.
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Im Gegensatz zur 1 sind in der 2 in den hohlen Zwischenräumen 13 zwischen den einzelnen Segmentbausteinen 10 metallische Einlagen 14 vorgesehen.
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Diese Einlagen 14 sind, wie in der 3 dargestellt, bauchig ausgeformt und weisen eine Vielzahl von durchsetzenden Ausnehmungen 15 auf. Durch den Einsatz der Einlagen 14 kann eine fortschreitende Infiltration von Metallschmelze noch gezielter verhindert werden. Das Metall der Einlage 14 hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit, so dass die Wärme der Schmelze im Falle einer Infiltration schnell über die gesamte Fläche verteilt wird und die Einlage 14 zur Abkühlung der Schmelze beiträgt. Weiterhin sind die Ausnehmungen 15 der Einlage 14 so dimensioniert, dass sie die Fließgeschwindigkeit der Schmelze weiter verlangsamen.
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Die 4, 5, 6 und 7 zeigen einen Segmentbaustein 10 in unterschiedlichen Ansichten und in einem Längsschnitt. Die Segmentbausteine 10 sind im Wesentlichen konisch ausgeformt und verjüngen sich zur heißeren Oberseite 16. Zur kälteren Unterseite 17 gehen die konisch ausgeformte Segmentbausteine 10 in einen zylinderförmigen Abschnitt 18 über. Dieser Abschnitt 18 weist eine kreisrunde Ausnehmung 19 auf, die zweifach abgestuft ist und dadurch einen ersten Ringbund 20 und einen zweiten Ringbund 21 bildet. Der zweite, innenliegende Ringbund 21 weist eine Nase 22 auf, die im Zusammenspiel mit einer Ausnehmung 23 auf der Oberseite 16 als Verdrehsicherung dient. In die Mitte der Ausnehmung 19 kann die metallische Einlage 14 eingesetzt werden. Die Einlage 14 ist dabei so dimensioniert, dass sie ringförmig an dem Segementbaustein 10 anliegt und sie von der Höhe her mit dem zweiten, innenliegenden Ringbund 21 abschließt.
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Die 8 zeigt einen Ausschnitt zweier aufeinandergesetzter Segmentbausteine 10. Die Nase 22 des oben angeordneten Bausteins 10 greift in die Ausnehmung 23 auf der Oberseite 16 des darunter angeordneten Bausteins 10, so dass die Schlitze 12 der Segmentbausteine durch alle Segmentbausteine hindurch durchgängige Kanäle bilden. Der innere, zweite Ringbund 21 des oben angeordneten Bausteins 10 steht in Anlage mit der Oberseite 16 des darunter angeordneten Bausteins 10, so dass der äußere, erste Ringbund 20 des oben angeordneten Bausteins 10 die Oberseite 16 des darunter angeordneten Bausteins 10 überragt und den zwischen den Bausteinen entstehenden hohlen Zwischenraum 13 nach außen hin abschließt.
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Der Spülstein sowie der Spülkern bestehen aus feuerfestem, keramischem Material.
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Der erfindungsgemäße Spüler wirkt der Metallschmelzinfiltration entgegen. Zudem weißt er einen Spülkern auf, der sich mit hoher Genauigkeit beim Absprengen der infiltrierten Zone verkürzt.
