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Die
Erfindung betrifft einen Stopfen für die Regelung des Zuflusses
von flüssigem
Metall von einem Behälter
in eine Gussanlage.
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Zum
Gießen
von Endlossträngen
aus hochwertigem Stahl wird flüssiger
Stahl aus einer Gusspfanne über
eine gasdichte Entleerungsvorrichtung aus der Gusspfanne in einen
Vorratsbehälter
(Tundish) gegossen, der seinerseits eine geschmolzene Schicht eines
Schmelzpulvers auf der flüssigen Stahlschicht
aufweist und mit mindestens einem Abfluss (Tauchausguss) versehen
ist, der in einer gekühlten
Kokille endet, die ihrerseits in eine Stranggussstrasse übergeht.
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Um
die Zuflussmenge des flüssigen
Stahls in die Kokille zu kontrollieren, werden die Abflüsse des Vorratsbehälters mit
Hilfe einer Stopfenstange geöffnet
und geschlossen, wobei die Abflüsse
und die Stopfenstangen korrespondierende Formen aufweisen, so dass
die Kombination aus den Abflüssen
in den Vorratsbehältern
und den Stopfenstangen ähnlich
wie ein Nadelventil funktionieren. Im Gegensatz zu einem bekannten
Nadelventil sind die Dimensionen einer derartigen Vorrichtung wesentlich
größer. So
weist allein der Stopfen eine Höhe
zwischen einem Meter und zwei Metern auf. Die mit dem flüssigen Stahl
in Verbindung stehenden Teile sind dabei einer erheblichen Korrosion
durch Hitze und chemisch aggressiven Stoffen ausgesetzt. Speziell
der Stopfen ist einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt, wenn
dieser mit hohen Kräften
im Abfluss des Vorratsbehälters
gelöst
und gegen die Auftriebswirkung des flüssigen Stahls in den Abfluss
hineingedrückt
wird. Darüber
hinaus ist der Stopfen der Hitze und der mechanischen Reibung des
flüssigen Stahls
ausgesetzt, wobei der Stopfen an den Phasengrenzen von Stahl zu
Schmelzpulver beziehungsweise von Schmelzpulver zu Luft einer erhöhten chemischen
Korrosion ausgesetzt ist, da sowohl der Luftsauerstoff bei Erhitzung
als auch das Schmelzpulver in flüssiger
Form hochgradig korrodierend wirken. Die Funktion des Schmelzpulvers
ist dabei, die Oberfläche
des flüssigen
Stahls in dem Vorratsbehälter
vor Luftsauerstoff abzudecken und gegebenenfalls aus dem Stahl ausgetriebene
Schlackereste aufzunehmen und zu lösen. Um die letzten verbliebenen Schlackereste
aus dem flüssigen
Stahl auszutreiben, ist es bekannt, durch den Stopfen ein Inertgas
zu pressen, wobei die feinen Gasbläschen in dem flüssigen Stahl
die Aufgabe haben, die in dem flüssigen Stahl
eingebettete Schlacke zu flotieren und an die Oberfläche der
Kokille zu transportieren.
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Ein
Stopfen, der einer derartigen physikalischen Belastung und Korrosion
ausgesetzt ist, hat eine nur begrenzte Lebensdauer. Dabei wird der
Umfang des Stopfenkörpers
durch Korrosion verringert, durch ggf. anhaftenden und erkaltenden
Stahl verformt, und es werden Stücke
aus der Feuerfestschicht heraus gebrochen und die Materialien des Stopfens
werden durch die andauernde Hitze beansprucht.
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Aus
diesem Grund werden die Stopfen nach jedem Gießvorgang (Sequenz) ausgewechselt,
wodurch nicht unerhebliche Kosten für den Strangguss entstehen.
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Der
Stopfen ist nicht nur einer hohen chemischen und physikalischen
Korrosion ausgesetzt, sondern es werden an den Stopfen auch noch
erhöhte Anforderungen,
wie beispielsweise mechanische Stabilität und Gasdichtigkeit gestellt.
Speziell beim Durchleiten eines Inertgases durch den Stopfen wird verlangt,
dass der Stopfen eine hohe Gasdichtigkeit aufweist, damit der Stopfen
keine Fremdluft zieht und dadurch Verunreinigungen in den zu gießenden Strang
einbringt. Dabei soll das Inertgas mit einem definierten Blasendurchmesser
unter Druck in den flüssigen
Stahl eingebracht werden, damit feine Bläschen entstehen, durch die
vorhandene nicht metallische Einschlüsse im Stahl flotiert werden.
Damit die Blasen eine vordefinierte und reproduzierbare Größe aufweisen,
ist es wichtig, dass die Düse
eine definierte Mündung
aufweist, die zu einer feinen Blasenbildung führt.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Stopfen für die Regelung des Zuflusses
von flüssigem
Metall von einem Behälter
in eine Gussanlage bereitzustellen, welcher durch Umarbeitung eines gebrauchten
Stopfens herstellbar ist.
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Ein
erfindungsgemäßer Stopfen
für die
Regelung des Zuflusses von flüssigem
Metall von einem Behälter
in eine Gussanlage weist eine Stopfenoberfläche, eine Haltestange, einen
Stopfenkörper
und eine Stopfenkappe auf, wobei die Haltestange in einer einen
Stopfenkörperkanal
bildenden Bohrung des Stopfenkörpers
aufgenommen ist. Die Stopfenoberfläche weist eine Glasur auf,
welche auf einem durch Abdrehen von Metall- und Schlackeresten von der Außenform
eines gebrauchten Stopfens aufgearbeiteten Stopfen aufgebracht ist.
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Die
Glasur, die gegebenenfalls bei geringer Temperatur in das feuerfeste
Material des Stopfens eingebracht werden kann, führt zu einer erhöhten Dichtigkeit
des Stopfens gegenüber
Fremdluft, so dass keine Fremdluft in den zu gießenden Strang eingebracht wird,
wodurch sich die Qualität
des damit hergestellten Stahls erhöht. Durch die Glasierung wird
die Porosität
des Stopfens, die üblicherweise etwa
19% beträgt,
gedichtet. Durch diese Porosität kann
Fremdluft in den Stopfen gezogen werden, wenn beispielsweise Edel-
oder Inertgas mit hoher Geschwindigkeit durch den Stopfen geleitet
wird und daher einen Unterdruck an der Innenwandung des Stopfens
durch den Bernoulli-Effekt erzeugt. Durch diesen Unterdruck kann
Sauerstoff in den Stahl gelangen, was den Stahl unbrauchbar machen
würde. Der
Unterdruck kann auch durch ein plötzliches relatives Absacken
des Flüssigstahlpegels
entstehen, beispielsweise, wenn der Stopfen bewegt wird. Durch das
pulsartige Absacken des Stahlpegels kann Luft durch Undichtigkeiten
in den Stopfen gesogen werden und in den Stahl gelangen. Die Glasur verhindert
ebenfalls die Entkohlung des Stopfens beim Aufheizen desselben über mehrere
Stunden.
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Um
einen gebrauchten Stopfen aus dem Stand der Technik aufarbeiten
zu können,
ist es notwendig, die an dem Stopfen haftenden Schlacke- und Metallreste
durch Abdrehen, Abschälen
und/oder Abschmelzen zu entfernen, wobei in vorteilhafter Weise ein
Hartmetallwerkzeug auf einer Drehbank benutzt wird, und wobei eine
Formschablone zum Einsatz kommt, damit die Formschlüssigkeit
zwischen dem Stopfen und dem Auslass an dem Vorratsbehälter nicht
nachteilig beeinflusst wird, sondern weitestgehend identisch mit
dem Profil des neuen Stopfens ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist in den Stopfenkörperkanal
ein zylindrischer Düsenpfropfen eingesetzt,
der eine Hinterschneidung aufweist. Gemäß einer Ausführungsform
kann diese Hinterschneidung mit Feuerfestbeton ausgefüllt sein,
in welchen eine Bohrung hineingebracht ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform weist
eine Spitze der Stopfenkappe eine konische Bohrung auf, in welche
ein Düsenpfropfen
mit einer umgekehrt verjüngenden
Form eingesetzt ist.
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Durch
die umgekehrt verjüngte
Form oder die Hinterschneidung in der Spitze der Stopfenkappe wird
erreicht, dass der Düsenpfropfen
auch durch sehr hohe Drücke
nicht aus der Stopfenkappe herausgedrückt wird. Hierdurch wird nicht
nur ein wirtschaftlicher Nachteil verhindert, der dadurch entsteht,
dass der Stopfen ausgewechselt werden muss, sondern es wird auch
eine gefährliche
Situation verhindert, die dazu führt,
dass durch den hohen Druck des Inertgases der flüssige Stahl aus dem Vorratsbehälter spritzt
und somit das in der Nähe
stehende Personal gefährdet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
weist der Düsenpfropfen
zur Innenseite eine konische Dachfläche auf, die einem Winkel von
mindestens 40° zur
Horizontalen aufweist. Durch die Dachfläche ist der Eintrittsort des
Inertgases in den Düsenpfropfen
an der Spitze der Dachfläche
angeordnet, wodurch an den Seiten eine Staub- und Partikelfalle
entsteht. Durch die Staub- und Partikelfalle wird verhindert, dass sprödes Material
des Stopfens, Rost und anderer Schmutz aus den verwendeten Druckleitungen
die feine Düse
im Düsenpfropfen
verstopft und somit gegebenenfalls eine gesamte Strangguss-Charge
unbrauchbar macht.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist der Düsenpfropfen
mit der Spitze der Stopfenkappe durch zwei in dem Düsenpfropfen
und der Stopfenspitze angeordnete, korrespondierende und mit bei
Erwärmung
aufquellenden Kitt gefüllte
Ringnuten gedichtet. Auf diese Weise wird eine feste Verbindung
zwischen dem Düsenpfropfen
und der Stopfenkappe ausgebildet, wobei diese Verbindung außerdem hochgradig
gasdicht ist, da der quellende Kitt sich in gegebenenfalls vorhandene
kapillare Öffnungen
hinein presst und somit Gasdichtigkeit erzeugt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung
des Düsenpfropfens
in der Stopfenkappe wird eine hohe Stabilität gegenüber Auspressen des Düsenpfropfens
aus der Stopfenkappe erzielt, wobei gleichzeitig ein hohes Maß an Dichtigkeit
erreicht wird. In vorteilhafter Weise kann durch die vorgeschlagene
Verbindung von Düsenpfropfen
und Stopfenkappe auf Gewinde oder ähnliche vergleichsweise aufwändig herzustellende Verbindungselemente
verzichtet werden.
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Erfindungsgemäß wird somit
insbesondere vorgeschlagen, einen Stopfen durch Wiederaufarbeitung
eines gebrauchten Stopfens dadurch herzustellen, dass zunächst eine
Bohrung in die Stopfenkappe eines zerlegten Stopfens eingebracht
und in diese Bohrung ein Düsenpfropfen
eingesetzt wird, wobei der Düsenpfropfen
mit der Stopfenspitze durch zwei in dem Düsenpfropfen und der Stopfenspitze
angeordnete, korrespondierende und mit bei Erwärmung wachsenden Feuerfestbeton
gefüllte
Ringnuten gedichtet wird. Auf diese Weise kann ein Stopfen aufgearbeitet
werden, wobei sich die Qualität
der Inertgasdüse
nicht nur nicht verschlechtert, sondern sogar im Gegenteil verbessert.
Denn überraschenderweise hat
es sich gezeigt, dass gerade der zum erfindungsgemäßen Stopfen
umgearbeitete, gebrauchte Stopfen aus dem Stand der Technik dem
ursprünglichen Stopfen
aus dem Stand der Technik überlegen
ist, weil er eine gleichmäßigere Bedüsung mit
Inertgas erlaubt und weil dieser Stopfen eine höhere Dichtigkeit gegenüber Falschluft
aufweist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die Glasur mit einer Temperatur im Bereich von 500° Celsius
bis 700° Celsius,
bevorzugt 600° Celsius,
auf die Oberfläche
des gebrauchten Stopfens aufgebracht.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die Haltestange innerhalb des Stopfens zumindest teilweise in einen
bei Erwärmung
expandierenden armierten Dichtungsring eingebettet.
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Bei
der Aufarbeitung eines gebrauchten Stopfens für die Regelung des Zuflusses
von flüssigem
Metall von einem Behälter
in eine Gussanlage kann wie folgt vorgegangen werden: Entfernung
der Haltestange und der Stopfenkappe vom Stopfenkörper. Danach
wird der Stopfenkörper
abgedreht, abgeschält
oder abgeschmolzen, wobei auf der Stopfenkappe anhaftende Metall-
und/oder Schlackereste entfernt werden. Das Abdrehen, Abschälen und/oder Abschmelzen
erfolgt mit Hilfe einer Formschablone, um die Funktonalität des Stopfens
nicht zu beeinträchtigen.
Nachdem der Stopfenkörper äußerlich von
Schlacke- und/oder Metallresten befreit ist, wird eine weitere Bohrung
in die Stopfenkappe eingebracht und in diese Bohrung wird ein Düsenpfropfen eingesetzt,
wobei dieser Düsenpfropfen
mit der Stopfenspitze durch zwei in dem Düsenpfropfen und der Stopfenspitze
angeordneten und korrespondierenden und mit bei Erwärmung aufquellenden
Kitt geführten
Ringnuten gedichtet wird. Zusätzlich
wird ein Graphitring in den Fuß der
Stopfenkappe eingebracht, wobei der armierte Graphitring in einer
bei Erwärmung
aufquellenden Ölemulsion
eingebettet ist. Dieser Graphitring dichtet den Fuß des Stopfenkörpers, der
die Haltestange umgreift. Zusätzlich
zur Dichtung durch das bei Erwärmung
aufquellende Öl ist
vorgesehen, dass ein bei Erwärmung
aufquellender Kitt in die Bohrung zur Aufnahme der Haltestange eingebracht
wird, damit sich dieser Kitt in die Gewindezüge der Haltestange einpresst
und durch das aufquellende Öl
gedichtet wird. Zuletzt wird die Außenhaut des Stopfenkörpers glasiert
oder graphitiert und die Einzelteile, die mit einem Düsenpfropfen
versehene Stopfenkappe, der Stopfenkörper und die Haltestange, werden
aneinandergeschraubt, wobei die Dichtflächen zwischen den Verschraubungen
mit einem bei Erwärmung
quellenden Kitt bestrichen werden, so dass der Stopfen, sobald er
mit dem flüssigen Stahl
in Berührung
kommt, seine volle Dichtigkeit aufweist und keine Falschluft zieht,
sondern lediglich das Inertgas, das unter hohem Druck steht, zur
Stopfenspitze führt
und dort den flüssigen
Stahl entgast.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird im Weiteren anhand von in den beigefügten Abbildungen
darstellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Skizze eines gebrauchten Stopfens;
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2 den
gebrauchten Stopfen aus 1 nach Aufarbeitung;
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3 einen
erfindungsgemäßen Stopfenkörper;
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4 eine
erste Ausführungsform
der Spitze des erfindungsgemäßen Stopfenkörpers;
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5 eine
zweite Ausführungsform
der Spitze des erfindungsgemäßen Stopfenkörpers; und
-
6 eine
weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Stopfens.
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In 1 ist
ein gebrauchter Stopfen 1 in einer unterbrochenen Ansicht
dargestellt. Der Stopfen 1 weist eine Stopfenkappe 4,
sowie Metall- und Schlackenreste 2 an einer Außenform 1a eines
Stopfenkörpers 3.
Daneben weist auch die Stopfenkappe 4 Metall- und Schlackenreste 2 auf.
Nach Gebrauch weist der gebrauchte Stopfen 1 noch eine
Haltestange 5 aus Stahl auf. Diese ist mit einer Deckplatte 14 versehen,
die auf dem Fuß des
Stopfenkörpers 3 aufliegt.
Zur Aufarbeitung werden zunächst
die Metall- und Schlackenreste 2 von der Außenform 1a des
gebrauchten Stopfens 1 abgedreht.
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In 2 ist
der gebrauchte Stopfen 1 nach Aufarbeitung dargestellt,
wobei der gebrauchte Stopfen 1 in zwei Zentrierspitzen 12 und 13 einer
Drehbank 11 aufgenommen ist. Zum Abdrehen der Metall- und
Schlackenreste 2 wird eine Formschablone 10 verwendet,
um die Außenform
der Stopfenkappe 4 durch die Aufarbeitung nicht zu verändern. Die
Stopfenoberfläche 7 weist
nach Aufarbeitung eine Glasur 6 auf, um den gebrauchten
Stopfen 1 auf der Stopfenoberfläche 7 zu verschließen und
eine Entkohlung sowie Haarrisse zu verhindern. Die Glasur 6 wird
mit relativ niedriger Temperatur, nämlich 500° Celsius bis 700° Celsius,
bevorzugt 600° Celsius,
auf die Oberfläche 7 des
gebrauchten Stopfen 1 aufgebracht.
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In 3 ist
ein aus dem Stand der Technik bekannter Stopfen 16 dargestellt,
der erfindungsgemäß zum erfindungsgemäßen Stopfen
umgearbeitet wird. Der aus dem Stand der Technik bekannte Stopfen 1b besteht
aus dem Stopfenkörper 3,
der Stopfenkappe 4 und der Haltestange 5, die
einen Bohrungskanal 5b für den Eintritt von Inertgas
in den aus dem Stand der Technik bekannten Stopfen 1b aufweist.
Der Querschnitt des Stopfenkörperkanals 3a im
Stopfenkörper 3 wird
am Fuße
des Stopfenkörpers 3 zu
einem Querschnitt 5a aufgeweitet, in welchen ein armierter
Graphitring 15 in einer bei Erwärmung aufquellender Ölemulsion
eingesetzt wird, um die Haltestange 5 am Fuße des Stopfenkörpers 3 gegen
austretendes Inertgas oder gegen Ansaugen von Falschluft abzudichten.
Der Graphitring 15 wird durch eine Deckplatte 14 am
Fuße des
Stopfenkörpers 3 in den
Fuß des
Stopfenkörpers 3 hineingepresst.
Der im Stopfenkörper 3 befindliche
Stopfenkörperkanal 3a führt bis
zur Stopfenkappe 4, welcher eine Düsenbohrung 22 aufweist.
Diese Düsenbohrung 22 kann mit
einem speziellen Düsenpfropfen 8a,
der in der 4 und 5 in verschiedenen
Ausführungsformen
gezeigt wird, ausgestattet sein.
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In 4 ist
ein Ausschnitt des überholten
beziehungsweise aufgearbeiteten Stopfens dargestellt, wobei Teile
des Stopfenkörpers 3 und
die Stopfenkappe 4 dargestellt ist. Die Spitze 9 der
Stopfenkappe weist eine konische Bohrung 18 auf, in welche
ein Düsenpfropfen 8 eingesetzt
ist. Der Düsenpfropfen 8 hat
eine umgekehrt verjüngende
Form, wobei der geringere Durchmesser zur Spitze hin zeigt und der weitere
Durchmesser, der durch die Dachfläche 21, die als Staub-
und Partikelfalle arbeitet, abgedeckt wird, zum Inneren der Stopfenkappe 4 zeigt.
Der Düsenpfropfen 8 weist
eine Ringnut 19 auf, die an korrespondierender Stelle einer
Ringnut 17 in der Stopfenkappe 4 gegenüberliegt.
Die beiden Ringnuten 17 und 19 werden mit einem
bei Erwärmung
aufquellendem Kitt gefüllt,
so dass der durch die beiden Ringnuten 17 und 19 entstehende
Ringraum 20 bei Erwärmung
vollständig
mit dem bei Erwärmung
aufquellendem Kitt ausgefüllt
ist. Der Düsenpfropfen 8 weist eine
zentrische Düsenbohrung 22a auf,
durch die das Inertgas in den flüssigen
Stahl gepresst wird.
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In 5 ist
eine alternative Ausführungsform der
Düsenspitze
des überholten
beziehungsweise aufgearbeiteten und aus dem Stand der Technik bekannten
Stopfens 1b dargestellt. Hier wird in den Stopfenkörperkanal 3a ein
zylindrischer Düsenpfropfen 8a eingegossen,
der eine Hinterschneidung 19a aufweist. Diese Hinterschneidung 19a wird
durch Feuerfestbeton 8b ausgefüllt, in welchen eine Bohrung 22b hineingebracht
wird. Beim Abbinden des Feuerfestbetons hält dieser durch die Hinterschneidung 19a an
den Stopfenkörperkanal 3a fest.
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In 6 ist
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Stopfens 100 abgebildet. Der
Stopfen 100 weist eine Gaszufuhr 101 auf, die
im Stopfenkörper 107 durch
eine Schraubverbindung 102 mit einem geschlossenen Rohr 103 verbunden ist,
wobei das geschlossene Rohr 103 durch den Stopfenkörper 107 geführt ist
und dort das Inertgas frei von Fremdluftzufuhr über die Schraubverbindung 104 zum
Düsenpfropfen 105 in
die Düse 106 leitet. Der
Stopfenkörper 107 weist
in herkömmlichen
Stopfen eine Porosität
von etwa 19% auf, wobei diese Porosität bei hohen Gasgeschwindigkeiten
zu einem Unterdruck an der Innenwand der Bohrung des Stopfenkörpers 107 führen kann,
durch den Fremdluft durch den Stopfenkörper 107 in das Innere
des Rohres gesaugt wird. Dieser Unterdruck entsteht durch den bekannten
Bernoulli-Effekt.
Um das Ansaugen von Fremdluft durch den porösen Stopfenkörper 107 zu
verhindern ist das Rohr 103 vorgesehen, das zu einer hohen
Dichtigkeit gegenüber
Fremdlufteinzug führt.
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- 1
- Stopfen
- 1a
- Außenform
- 1b
- Stopfen
- 2
- Metall-
und Schlackenrest
- 3
- Stopfenkörper
- 3a
- Stopfenkörperkanal
- 4
- Stopfenkappe
- 5
- Haltestange
- 5a
- Querschnitt
- 5b
- Bohrungskanal
- 6
- Glasur
- 7
- Stopfenoberfläche
- 8
- Düsenpfropfen
- 8a
- Düsenpfropfen
- 8b
- Feuerfestbeton
- 9
- Spitze
- 10
- Formschablone
- 11
- Drehbank
- 12
- Zentrierspitze
- 13
- Zentrierspitze
- 14
- Deckplatte
- 15
- Graphitring
- 17
- Ringnut
- 18
- Bohrung
- 19
- Ringnut
- 19a
- Hinterschneidung
- 20
- Ringraum
- 21
- Dachfläche
- 22
- Düsenbohrung
- 22a
- Düsenbohrung
- 22b
- Düsenbohrung
- 100
- Stopfen
- 101
- Gaszufuhr
- 102
- Schraubverbindung
- 103
- Rohr
- 104
- Schraubverbindung
- 105
- Düsenpfropfen
- 106
- Düse
- 107
- Stopfenkörper