DE19628415C1 - Anordnung von Stopfenstange und Stopfenstangenkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen feuerbeständigen, durch­ bohrten Stopfenstangenkörper mit einer die sen tragenden metallischen Stopfenstange und einer Vorrichtung zum Verbinden des Stopfenstangenkörpers mit der Stopfen­ stange.

Eine solche Anordnung ist bekannt aus EP 0 358 535 B1. Hier ist eine metallische Einsatzbuchse vorgesehen, die mit Abstand vom oberen Ende des genannten Stopfenstangen­ körpers angeordnet ist und eine Bohrung aufweist, welche ausgebildet ist für ein festes Aufnehmen einer Metall-Stopfenstange zum Anbringen an einem Hebemechanismus. Es handelt sich bei der Einsatzbuchse demnach um ein metallisches Teil, das bei der Herstellung des kera­ mischen Stopfenstangenkörpers mit eingebaut werden muß. Wegen der Inkompatibilität der Werkstoffe kommt es in manchen Fällen zu hohen Ausschußraten. Der Metallkörper kann außerdem nur wiedergewonnen werden, indem der Stopfenstangenkörper zerstört wird. Dies bereitet zwar im Prinzip keine große Mühe, erfordert jedoch Handarbeit und führt zu einer erheblichen Staubentwicklung, da der Stopfenstangenkörper zerschlagen werden muß.

Als weiterer Stand der Technik ist das US-Patent 4,791,978 zu nennen. Bei dieser bekannten Anordnung von Stopfenstangenkörper und Stopfenstange wird eine Gewinde­ bohrung in den oberen Teil des Stopfenstangenkörpers eingepreßt. Eine Gewindestange wird direkt in das eingepreßte Gewinde eingedreht, so daß eine Aufhängung geschaffen ist, um den Stopfenstangenkörper aus der Gießpfanne zu heben. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß bei Unter­ schieden des Wärme-Ausdehnungskoeffizienten von Gewinde­ stange und Stopfenstangenkörper-Material es hierbei sehr rasch zu Brüchen kommt.

Schließlich sei noch auf JP-A 56-148 452 hingewiesen. Bei dieser bekannten Stopfenaufhängung wird das untere Ende der Stopfenstange mit einem Grobgewinde versehen, das in ein entsprechendes Gewinde im Stopfenstangen­ körper eingedreht wird, wobei zusätzlich ein gewisses Spiel zwischen der Spindel und dem Körpermaterial eröffnet wird, so daß die Bruchgefahr verringert wird. Trotzdem hat sich diese Ausführungsform nicht durch­ setzen können, da die starke Schwingungsbeanspruchung der Verbindung zu hohen Bruchraten führt.

Gegenüber dem Stand der Technik stellt sich die Aufgabe, eine zuverlässige, jedoch relativ leicht zu montierende Verbindung zwischen Stopfenstangenkörper und Stopfen­ stange herzustellen, wobei die Materialkosten relativ gering gehalten sind und die Standzeit der Anordnung groß ist, auch wenn es zu den betriebsüblichen Ver­ schleißerscheinungen, wie Verzunderungen, kommt.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung aus einem feuer­ beständigem, durchbohrten Stopfenstangenkörper und einer diesen tragenden metallischen Stopfenstange und einer Vorrichtung zum Verbinden des Stopfenstangenkörpers mit einer Stopfenstange gelöst, bei der folgende Teile vor­ handen sind:

• - ein metallener Adaptereinsatz, der von der oberen Stirnfläche her in das Material des Stopfenstangen­ körpers eingelassen ist und der mit einem Innengewinde für das Einschrauben der mit einem Außengewinde ausge­ statteten Stopfenstange versehen ist, in welches Innen­ gewinde die Stopfenstange eingedreht ist,
• - wobei das für den Adaptereinsatz bestimmte Metall einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der von dem des Stopfenstangenkörpers praktisch nicht abweicht,
• - eine Mutter, die mit der Stopfenstange als Konter­ mutter gegen den Adaptereinsatz verschraubt ist,
• - und ein stützender Hohldorn, der unterhalb des Adapter­ einsatzes den Endabschnitt der Stopfenstange bildet.

Mit dieser Anordnung wird der Vorteil erreicht, daß der aus keramischem Material bestehende Stopfenstangenkörper in einfacher Weise mit einem Gewindeadapter versehen werden kann, der in eine bei der Herstellung schon ansatzweise vorhandene Bohrung eindrehbar ist und dort sich von seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten her praktisch verhält wie das Material des Stopfenstangenkör­ pers, ohne dessen Brüchigkeit zu haben. Der Adapterein­ satz kann aber auch bei der Herstellung des Stopfen­ stangenkörpers mit eingesetzt und eingebrannt werden.

Das Material des Adaptereinsatzes ist vorzugsweise ein austenitischer, nicht-zundernder Stahl, beispielsweise der Sorte 9X6CrNi189. Das Stahl-Material der Stopfen­ stange selbst braucht nicht aus derartig hochwertigen Stahlsorten hergestellt zu werden, sondern kann aus üblichem Werkzeugstahl bestehen. Ein besonderer Vorteil ist, daß die Stopfenstange aus einer stählernen Endlos-Gewindestange in einfacher Weise abgelängt werden kann, und - nach Versehen mit einer Bohrung - preiswert fertig­ zustellen ist.

Die Wärmeausdehnung der Stopfenstange innerhalb des Adaptereinsatzes führt zwar zu einer (erwünschten) höheren Einpressung der Stopfenstange in das Adapter­ gewinde, nicht jedoch zur Zerstörung des Stopfenstangen­ körpers.

Insbesondere wird weiterhin mit Vorteil ein Adapter­ einsatz verwendet, der mit einem Kegelgewinde versehen ist, das sich unten (d. h. in den Stopfenstangenkörper hinein) mit konvergierender Innenfläche verjüngt. Für eine solche Gewindeform muß die Stopfenstange an ihrem Ende mit einem Kegelgewinde abgedreht werden. Bei Verwen­ dung des Kegelgewindes ergibt sich der weitere Vorteil, daß nach Verzundern des Stopfenstangen-Materials hier ein einfaches Abdrehen genügt, um die Stopfenstange wieder gängig in den Adapter eindrehen zu können, der selbst aus einem nicht-zundernden Material besteht.

Der Adaptereinsatz ist vorzugsweise mit einem Außenge­ winde versehen, so daß er in das Material der Stopfen­ stange eingedreht werden kann. Es sei aber auch nicht ausgeschlossen, daß der Adaptereinsatz an seiner Außen­ seite mit einer Haltestruktur, z. B. parallelen Lamellen, Warzen oder Vertiefungen, versehen ist. Auch ist mög­ lich, dem Innengewinde, bei beliebiger Gestaltung der Außenseite des Adaptereinsatzes, eine normale zylin­ drische Form zu geben.

Die vorgenannte Gestaltung der Außenseite des Adapter­ einsatzes wird vorzugsweise an die relativ empfindliche Verbindung zwischen Stahl und Keramik-Material des Stopfenstangenkörpers angepaßt. Hierzu wird vorgeschla­ gen, daß ein Außengewinde des Adaptereinsatzes als äußeren Hüllkörper einen Zylinder und sein Gewindekern als innenliegenden Hüllkörper einen Kegelstumpf auf­ weist. Von der Zylinderform des Außengewindes kann auch abgewichen werden, d. h. der Adaptereinsatz kann als äußeren Hüllkörper auch einen Kegelstumpf aufweisen.

Es soll auch aber nicht ausgeschlossen werden, daß von derartigen Hüllformen abgewichen wird, beispielsweise eine divergierende Hüllkörperform gewählt wird. Es kommt hier darauf an, eine hohe Sauerstoffdichtheit zwischen der Außenseite des Stopfenstangenkörpers und der Innen­ seite des Stopfens zu erreichen. Je nach Einsatz kann das Außengewinde des Adaptereinsatzes auch ein Grobge­ winde, beispielsweise in Form eines Trapez- oder Rund­ gewindes, sein.

Um einen besseren Halt, insbesondere Widerstand gegen Knickbelastungen, und eine gute Abdichtung zu erreichen, wird vorgeschlagen, daß unterhalb des Adaptereinsatzes sich die Stopfenstange in einen stützenden Hohldorn fortsetzt, der mit einer unteren Dichtfläche endet. Diese Dichtfläche kann dann auf eine Taillierung der Stopfenstangenkörper-Durchbohrung fest aufsetzen. Hier­ durch wird auch Material gespart, denn auch der Hohldorn kann direkt aus dem Gewindestangen-Material herausge­ dreht werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfol­ genden Beschreibung anhand der Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen im einzelnen:

Fig. 1 im Schnitt eine Anordnung von Stopfenstangen­ körper und Stopfenstange;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines Adapterein­ satzes;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Adapterein­ satzes;

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform eines Adapterein­ satzes;

Fig. 5 die Stopfenstange von außen gesehen;

Fig. 6 eine vierte Ausführungsform eines Adapterein­ satzes.

In der Fig. 1 ist der obere Teil eines feuerbeständigen, mit einer Bohrung 8 versehenen Stopfenstangenkörpers 2 dargestellt. Der Stopfenstangenkörper 2 dient zum Ab­ dichten einer Gießpfanne (Tundish) und muß der mit flüssigem Stahl gefüllten Wanne komplikationsfrei heraus­ gehoben und eingeschoben werden. Der Stopfenstangen­ körper 2 ist zylindrisch und besitzt eine obere Stirn­ fläche 4 und ein unteres Ende, das mit vorliegenden Fall nicht dargestellt ist. Die axiale Bohrung 8 erstreckt sich bis zu seinem unteren Ende und endet an einer kugelgeformten Sitzfläche (nicht dargestellt), die in die entsprechende Sitzfläche des Tundish-Bodens einge­ setzt werden kann.

Der Stopfenstangenkörper kann über eine noch zu beschrei­ bende Aufhängevorrichtung angehoben werden. Es fließt dann die Schmelze durch die freigegebene Tundish-Bohrung in eine entsprechende Gießform hinein. Ein inertes Gas, wie Argon, wird durch die Zentralbohrungen 7 und 8 hin­ durchgeschickt, um den Stopfenstangenkörper innen und außen zu kühlen und einen direkten Kontakt mit der Schmelze zu verhindern.

Die typische Länge eines Stopfenstangenkörpers ist 1450 mm. Der Außendurchmesser am oberen Ende beträgt etwa 150 mm. Ein typisches Material des Stopfenstangenkörpers ist beispielsweise eine Mischung aus 53 Gew.% Al₂O₃, 13 Gew.-% SiO₂ und 31 Gew.% Graphit sowie weiteren wärme­ beständigen Materialien, wie beispielsweise ZrO₂. Sein Gewicht ist daher nicht unbeträchtlich.

Bei Einfahren des Stopfenstangenkörpers in die Schmelze treten durch heftige Wärmedifferenzen Turbulenzen und Schwingbewegungen auf, die die Verbindung zwischen Stopfenstangenkörper und Stopfenstange erheblich bean­ spruchen. Eine weitere Beanspruchung ist das mit hoher Geschwindigkeit durch den Stopfenstangenkörper mit Stopfenstange fließende Argon-Gas, da der Gasstrom teilweise wie eine Strahlpumpe wirkt und Luft von außen anzieht. Die Erfordernisse an die Dichtigkeit des Stopfenstangenkörpers sind daher hoch.

Um eine Verbindung von Stopfenstangenkörper mit der Stopfenstange herzustellen, wird von der Stirnseite des Stopfenstangenkörpers in den Stopfenstangenkörper ein metallener Adaptereinsatz 10 eingesetzt, der im vor­ liegenden Fall im Schnitt eine Kegelform aufweist, wobei sein oberer Durchmesser etwa 50 mm ist. Der Adapterein­ satz (vergl. auch Fig. 2 und 3) ist aus einem Metall hergestellt, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der von dem des Stopfenstangenkörpers praktisch nicht abweicht. Geeignet hierzu sind hochlegierte Stähle, wie beispielsweise 9X6CrNi189. Der Adapterein­ satz 10 besitzt im vorliegenden Fall ein kegeliges Innengewinde 11 mit einer nach unten, d. h. zur Spitze des Stopfenstangenkörpers 2 hin konvergierenden Innen­ fläche 37. Der Adaptereinsatz ist in eine Öffnung 5 eingelassen und schließt mit seiner Oberkante mit der oberen Stirnfläche 4 des Stopfenstangenkörpers ab. Es sei aber nicht ausgeschlossen, daß der Adaptereinsatz auch mit einem Flansch über die Stirnseite des Stopfen­ stangenkörpers ragt.

Die Öffnung 5, in die der Adaptereinsatz eingelassen ist, verengt sich zu einem Bohrungsabschnitt 8′, der sich wiederum zu der Bohrung 8 verengt im weiteren Verlauf des Stopfenstangenkörpers. In die Innenseite des Adaptereinsatzes 10 und die Bohrungserweiterung 8′ ist eine speziell geformte Stopfenstange 1 eingelassen, wie sie aus den Fig. 1 und 5 erkennbar ist.

Die Stopfenstange 1 besteht aus einem weitgehend massiven, mit Außengewinde 3 versehenen Stahlstangen-Abschnitt, der nachträglich mit einer zentrischen Innenbohrung 7 versehen ist. Eine solche Stopfenstange kann aus bekanntem, bereits mit Gewinde versehenem Stahl-Halbzeug, das in großen Längen hergestellt wird, abschnittsweise abgelängt werden. Die Stopfenstange ist nach oben verlängert und in an sich bekannter Weise an ihrem oberen Ende aufgehängt, wie dies beispielsweise in der Fig. 1 des US-Patentes 4,791,978 dargestellt ist.

Der Übergang der Stopfenstange 1 auf den Stopfenstangen­ körper wird in erster Linie durch den Adaptereinsatz 10 ermöglicht. Die Stopfenstange 1 ist dazu kurz vor ihrem Ende mit einem kegeligen Gewindeabschnitt (Außengewinde 20) versehen, der kompatibel mit dem Innengewinde 11 des Adaptereinsatzes ist.

Um in die Bohrungserweiterung 8′ eindringen zu können, verjüngt sich das untere Ende der Stopfenstange 1 zu einem Hohldorn 16, der außenseitig glatt ist und nach unten in einer konisch angedrehten Dichtfläche 15 endet, die mit einer Graphit-Dichtung 14 versehen ist und auf einer Schulter 19 im Übergangsbereich von der Bohrungs­ erweiterung 8′ zur Bohrung 8 fest und abgedichtet auf­ sitzt. Oberhalb des Kegelgewindes 20 ist noch eine Taillierung 18 der Stopfenstange 1 zu erkennen. Diese Taillierung dient als Auslaufnut für das Gewinde 3. Eine Mutter 17 kann daher vom Hohldorn her auf die Stopfen­ stange 1 auf das Gewinde 3 aufgedreht werden.

Die Verbindung des Stopfenstangenkörpers mit der Stopfen­ stange erfolgt zunächst durch Eindrehen des Kegelgewin­ des 20 in den Adaptereinsatz 10. Sodann werden zwei hochwärmefeste Dichtungselemente (Dichtungsring 13 und Unterlegscheibe 12) aufgelegt und anschließend die Mutter 17 als Kontermutter auf das Außengewinde 3 der Stopfenstange festgeschraubt, so daß insgesamt die Stopfenstange abgedichtet und völlig sauerstoffdicht mit dem Stopfenstangenkörper 2 verbunden ist. Bei Erwärmung des Stopfenstangenkörpers dehnt sich das Metall der Stopfenstange 1 in dem Adaptereinsatz 10 aus und bildet einen praktisch gasdichten Verschluß der Stopfenstange 1 im Adaptereinsatz 10 aus.

Nach einer üblichen Standzeit ist es erforderlich, den Stopfenstangenkörper zu wechseln. Die Stopfenstange 1 kann normalerweise einfach aus dem Gewinde des Adapter­ einsatzes herausgedreht werden und anschließend dieser aus dem Stopfenstangenkörper. Sollte dies nicht möglich sein, so läßt sich der Adaptereinsatz mit der Stopfen­ stange aus dem Material der Stopfenstange herausdrehen und läßt den Stopfenstangenkörper weitgehend als Ganzes zurück. Jedenfalls kann der Adaptereinsatz wiederge­ wonnen werden.

Sobald die Stopfenstange aus dem Adaptereinsatz heraus­ gedreht ist, kann sie durch einfaches Überdrehen des entsprechenden Gewindeteils erneut für den Einsatz vor­ bereitet werden. Eventuelle Verzunderungsschäden können durch entsprechendes Abdrehen des Materials beseitigt werden, wobei vorzugsweise lediglich das Gewinde behan­ delt wird.

Der Hohldorn 16 ist etwa doppelt so lang wie die Höhe des Adaptereinsatzes. Durch die Form des Hohldorns wird gewährleistet, daß eventuelle Biegemomente, die vom Stopfenstangenkörper 2 auf die Stopfenstange 1 übertra­ gen werden müssen, nicht nur vom Adaptereinsatz aufge­ fangen werden müssen. Zwar wird das Gewicht des Stopfen­ stangenkörpers durch die ausreichende Größe des Adapter­ einsatzes gut aufgenommen, jedoch werden Vibrationen und Knicklasten von der Gesamtheit der sich in dem Stopfen­ stangenkörper befindenden Teile der Stopfenstange beherrscht.

Fig. 2 zeigt detailliert die Form einer ersten Aus­ führungsform des Adaptereinsatzes 10. Der Adaptereinsatz 10 weist eine relativ dünne Wand 21 auf, die auf beiden Seiten ein Gewinde trägt, nämlich ein Innengewinde 11 in Kegelform und ein Außengewinde 31, das als äußeren Hüllkörper ebenfalls einen Kegel hat. Es handelt sich hierbei um ein Grobgewinde, das in eine entsprechende Gewindeform des Stopfenstangenkörpers eingedreht ist.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des Adaptereinsatzes 10, bei dem das Innengewinde 11 ebenso wie bei dem Adaptereinsatz gemäß Fig. 2 kegelförmig ist. Das Außen­ gewinde 32 des Adaptereinsatzes hat jedoch als äußeren Hüllkörper einen Zylinder Z, so daß die Höhe der Gewinde­ flanken bei gleichbleibender Steigung immer größer wird und sich entsprechend in den unteren Teil der Öffnung 5 stärker eindrehen kann als im oberen Teil und damit die Ausziehfestigkeit erhöht.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des Adaptereinsatz 10′, bei dem das Innengewinde 11′ anders als bei dem Adaptereinsatz gemäß Fig. 2 zylinderförmig ist. Das Außengewinde des Adaptereinsatzes ist durch parallele Lamellenelemente 32′ ersetzt; der äußere Hüllkörper ist ein Zylinder.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform des Adaptereinsatzes, bei dem die Außenseite mit einer aus Warzen 60 und Ver­ tiefungen 61 bestehenden Haltestruktur versehen ist. Auch hier wird der Adaptereinsatz bei der Herstellung des Stopfenstangenkörpers unlösbar in dessen Material eingepreßt.

Die vorbeschriebene Anordnung und Verbindung aus Stopfen­ stangenkörper 2, Stopfenstange 1 und Adaptereinsatz hat ohne Unterbrechung eine hohe Einsatzzahl. Der ver­ schleißende Stopfenstangenkörper kann in einfacher Weise ausgewechselt werden. Dabei geht der Adaptereinsatz nicht verloren, sondern kann wiedergewonnen und neu eingesetzt werden. Die Anordnung ist entsprechend den praktischen Erfordernissen absolut luftdicht und verhin­ dert, daß während des Einsatzes Sauerstoff an die sich in dem Tundish befindliche Schmelze gerät.

Claims (10)

1. Feuerbeständiger, durchbohrter Stopfenstangen­ körper (2) mit einer diesen tragenden metallischen Stopfenstange (1) und einer Vorrichtung zum Verbinden des Stopfenstangenkörpers (2) mit der Stopfenstange (1),

• - mit einem metallenen Adaptereinsatz, der von der oberen Stirnfläche (4) her in das Material des Stopfen­ stangenkörpers eingelassen ist und der mit einem Innengewinde (11) für das Einschrauben der mit einem Außengewinde (20) ausgestatteten Stopfenstange (1) versehen ist, in welches Innengewinde (11) die Stopfenstange eingedreht ist,
• - wobei das für den Adaptereinsatz (10) bestimmte Metall einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der von dem des Stopfenstangenkörpers (2) praktisch nicht abweicht,
• - mit einer Mutter (17), die mit der Stopfenstange (1) als Kontermutter gegen den Adaptereinsatz verschraubt ist,
• - und mit einem stützenden Hohldorn (16), der unterhalb des Adaptereinsatzes den Endabschnitt der Stopfenstange bildet.

2. Stopfenstangenkörper mit Stopfenstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopfen­ stange (1) aus einer stählernen Endlos-Gewindestange abgelängt ist.

3. Stopfenstangenkörper mit Stopfenstange, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (11) des Adaptereinsatzes (10) ein Kegelgewinde mit einer nach unten konvergierenden Innenfläche (37) ist.

4. Stopfenstangenkörper mit Stopfenstange, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (11) des Adaptereinsatzes (10) ein zylindrisches Gewinde ist.

5. Stopfenstangenkörper mit Stopfenstange nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Adaptereinsatz mit einem Außengewinde (32) versehen ist.

6. Stopfenstangenkörper mit Stopfenstange nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengewinde (32) des Adaptereinsatzes als äußeren Hüllkörper einen Zylinder (Z) und sein Gewindekern als innenliegenden Hüllkörper einen Kegelstumpf aufweist.

7. Stopfenstangenkörper mit Stopfenstange nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengewinde (32) des Adaptereinsatzes als äußeren Hüllkörper einen Kegelstumpf aufweist.

8. Stopfenstangenkörper mit Stopfenstange nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß anstelle des Außengewindes eine Haltestruktur an der Außenseite des Adaptereinsatzes (10′; 10′′) vorgesehen ist, z. B. Lamellen (32′), Warzen (60) oder Vertiefungen (61).

9. Stopfenstangenkörper mit Stopfenstange nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohldorn (16) mit einer unteren Dichtfläche (15) endet.

10. Stopfenstangenkörper mit Stopfenstange nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Material des Adaptereinsatzes austeni­ tischer, nicht-zundernder Stahl ist, beispielsweise der Sorte 9X6CrNi18 9.