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Vorrichtung zur Einleitung von Gasen in Flüssigkeiten enthaltende
Reaktionsgefässe Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zar Einleitung
von Gasen in Flüssickeiten enthaltende Reaktionsgefässen welche insbesondere thermisch
beansprucht werden, vor allem Durchlaufbehälter für Metallschmelzen, mittels eines
gasdurchlässigen Körpers aus feuerfestem Material, welcher In einer Metallhülse
steckt, welche ihrerseits in der Ward des Reaktionsgefässes verankert ist.
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Seit der Einführung von Methoden zur Behandlung von Metallschmelzen,
bei denen Gase kontinuierlich in die Schmelze eingeleitet werden, hat es sich als
schwierig erwiesen, die dabei verwendeten gasdurchlässigen Körper ("Einleitsteine")
aus feuerfestem Material leicht auswechselbar und dennoch dicht in der Wand des
Reaktionsgefässes zu befestigen.
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Im Stand der Technik ist vorweg versucht werden, die gasdurchlässigen
Körper dauerhaft in die aus Beton oder ähnlichen Werkstoffen bestehende Wand der
Reaktionsgefässe einzumauern. Dies hat den erheblichen Nachteil, dass bein periodisch
notwendigen Auswechseln der gasdurchlässigen
Körper die betreffende
Wand des Reaktionsgefässes ganz zerstört werden muss, was erhebliche Kosten, Zeitverlust
und verminderte Standzeiten des betreffenden Reaktionsgefässes mit sich bringt.
Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass eine dichte Verbindung
zwischen Gaseinleitsteinen und Wand des Reaktionsgefässes nur schlecht zu erreichen
ist, weil die verschiedenen thermischen Ausdehnun-s.koeffizienten dar verwendeten
Werkstoffe von Gas einleitstein, Bindemittel und Wand beim Aufheizen des Reaktionsgefässes
durch die Metallschmelze leicht zu Rissen an der Verbindungsstelle führen. Dies
hat zur Folge, dass das eingepresste Gas durch die entstehenden Risse statt durch
den porösen Gaseinleitstein entweicht, sei dies gänzlich aus dem Reaktionsgefäss
hinaus oder zwar in das Innere des Reaktionsgefässes hinein, jedoch nicht in Fom
der erwünschten feinen Blasen. Daraus ergeben sich Gasverluste, welche bei der immer
stärker verbreiteten ausschliesslichen Verwendung von Edelgasen zur Schmelzebehandlung
erhebll-e wirtschaftliche Dimensionen annehmen können. Daneben treten unter Umständen
Verluste an Metall oder Verunreinigungen asselben durch Material auf, welches aus
den entstehenden Rissen stammt.
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Diese thermischen Effekte führen nicht nur zu den angeführten Undichtigkeiten
sondern verkürzen auch die Intervalle zwischen
dem periodischen
Auswechseln des Gaseinleitsteins, und führen damit wiederum zu einer Verminderung
der Standzeiten der in Frage stehenden Reaktionsgefässe.
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Nach dem Stand der Technik ist deshalh versucht worden, das Auswechseln
des Einleitsteins zu erleichtenn und das Entweichen von Gas zwischen Einleitstein
und Wand des Reaktionsgefässes zu verhindern, inden m.an den Einleitstein mit einer
etallhülse umgab und diese ihrerseits in der einen oder anderen Weise in der Wand
des Reaktionsgefässes verankerte.
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Weder das eine noch das andere Problen wurde indessen befriedigend
gelöst, und es traten unerwünschte Nebeneffekte ein, welche Nachteile gegenüber
dem gewöhnlichen Einmauern des Einleitsteins darstellen: Die Dichtigkeit der Vorrichtung
konnte durch die Verwendung einer Metallhülse nicht wesentlich verbessert und das
unerwünschte Entweichen von Gas nicht wirksam behoben werden: Gegenüber dem unmittelbar
in der Wand eingemauerten Stein weist eine Vorrichtung Einleitstein/Metallhülse/Wand
erheblich grössere Differenzen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen
Werkstoffe a Wird deshalb der Einleitstein etwa nach den Vorschriften von US-PS
2 811 346 oder US-PS 2 947 527 mittels Schrauben in der sletallhülse starr verankert,
so dehnt sich beim Aufheizen der Vorrichtung durch die Metallschmelze die Metallhülse
erheblich
mehr aus als der Einleitstein. Dadurch entsteht ein Zwischenraum
zwischen Hülse und Einleitsteln, durch den das Gas wiederum auf die unerwünschte
Weise entweichen kann, bzw. in welchen die Flüssigkeiten aus dem Reaktionsgefäss
eindringen kann, solange kein Gasüberdruck in dem Gaseinleitstein herrscht.
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Auch das Problem der leichten Auswechselbarkeit der Einleit vorrichtung
kann nacn der Stand der Technik nicht als gelöst betrachtet werden: Zwar sind Vorrichtungen
beschrieben worden, bei welchen die Metallhüllse an der Aussenwand des Reaktionsgefässes
mittels Schrauben befestigt ist. (US-PS 2 871 008, Fig, 5) Diese Vorrichtung trägt
aber dem Umstand keine Rechnung, dass durch die thermische Ausdehnung der Metallhülse
in ihrer Längsachse eine Verschiebung zwischen der kalten Aussenwand und der warmen
Hülse eintritt, welche bei starrer Verbindung zu Spannungen und Rissen führen kann.
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Darüber hinaus gewährleistet die genannte Vorrichtung zwar ein Entfernen
der Metallhülse aus der Wand es Reaktionsgefässes unter den gemachten Einschränkungen,
@edoch nicht ein rasches Entfernen des Einleitsteins es cer Metallhülse.
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Die starre Verbindung zwischen Stein und Hülse weist daneben auch
bei der genannten Vorrichtung die beschriebenen Mängel hinsichtlich der Dichtigkeit
des Systems beim Erwärmen auf.
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Der vorliegenden Erfindung lag dio Aufgabenstellung zugrunde, eine
Vorrichtung zur Einleitung von Gasen in Reaktionsgefässe herzustellen, welche die
geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermeidet, also eine gute Dichtigkeit
zwischen Metallhülse und Einleitstein trotz thermischen Effekten und leichte Auswechselbarkeit
sowohl der Metallhülse in der Wand als auch des Einleitsteins in der Metallhülse
gewährleistet.
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Diese Aufgabe ist dadurch gelöst worden, dass in der erfindungsgemässen
Vorrichtung der gasdurchlässige Körper und die Metallhülse unter Federdruck regulierbar
und auswechselbar verbunden sind, und dass die Metallhülse an der Aussenwand des
Reaktionsgefässes mit einer Kombination von Schrauben und Ringfedern regulierbar
und leicht auswechselbar verankert ist.
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Eine gute Dichtigkeit zwischen Metallhülse und Einleitstein wird trotz
thermischen Effekten beim Aufheiten des Raktionsgefässes erreicht, indem der Einleitstein
durch mehrere Tellerfedersäulen gegen den der Innenseite des Reaktionsgefässes zugewandten
Abschnitt der Metallhülse gedrückt wird. Leichte Auswechselbarkeit des Einleitsteins
ist dadurch gegeben, dass die Tellerfedersäulen auf einen Zwischenboden lagern,
welcher seinerseits durch einen Seeger-
Ring festgehalten wird,
welcher in eine Ringnut der Metallhülse passt.
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Die Federkraft der Tellerfedersäulen wirkt dabei auf zweierlei Arten:
Vergrössert sich bei konischer Ausführung des Einleitsteins und der Hülse der Durchmesser
der letzteren infolge Wärmeeinwirking, so wird der Einleitstein automatisch tiefer
(höher) in die Hülse eingeschoben, bis die Dichtung wieder gewährleistet ist. Die
Tellerfedersäulen sind dabei in Abhängigkeit von dem Gewicht des Einleitsteins,
dem Winkel des Kegelmantels zur Längsachse, und der zu erwartenden thermischen Ausdehnung
der Hülse auszuwählen. (Fig. 1, 2. 3).
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Vergrössert sich bei zylindrischer Ausführung der Hülse der Abstand
zwischen der Ringnut, auf welcher der die Tellerfedernsäulen tragende Zwischenboden
ruht und der Auflagestelle des Einleitsteines in der Hülse, so wird der Einleitstein
automatisch tiefer (höher) in die Hülse eingeschoben, bis die Dichtung wieder gewährleistet
ist.
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Die Tellerfedersäulen sind dabei im wesentlichen in Abhängigkeit von
dem Gewicht des Einleitsteins, , der zu erwartenden thermischen Ausdehnung der Hülse
und den Abstand zwischen Ringnut und Auflagestelle des Einleitsteins auszuwählen
(Fig. 4, 5, 6),
Die Befestigung von Einleitstein und hülse mittels
Tellerfedern hietet den Vorteil, dass die Eir nleitvorrichtung dem zu lösenden betrieblichen
Problem angepasst werden kann.
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So kann das Gewicht des Einleitsteins Wand seine Ausmasse in der Zylinder-
(Kegel) - Hauptachse für wechselnde betriebliche Probleme verändert werden, ohne
dass die ganze Einleitvorrichtung ausgewechselt werden muss. Einfaches Variieren
einzelner Tellerfederelemente genügt, um die Dichtung wieder herzustel'en.
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Die Auswechselbarkeit der Metallhülse in der Wand des Reaktionsgefässes
ist dadurch gegeben, dass die Metallhülse aus den thermisch weniger beanspruchten
Aussense te es Gefässes mit Schrauben befestigt ist. Dehnt sich nun die Hülse infolge
Wärmeeinwirkung in ihrer Längsachse aus, so wird diese Elongation durch Federringe
elastisch aufgefangen, weiche zwischen den Befestigungsschrauben un der Hülse eingebaut
sind.
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Die Auswechselbarkeit des Einleitsteins in der Metallhülse ergibt
sich aus dem einfachen Einbau und der Arretierung mittels eines Seeger-Ringes und
einer Ringnut. Gegenüber den starren Schraubenverbindungen im Stand der Technik
(etwa US-PS 2 811 346 und 2 947 527) stellt dies eine beträchtliche Vereinfachung
der Montage dar.
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Zwei Ausführungsformen einer nach der Erfindung ausgebildeten Vorrichtung
zum Gaseinleiten sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden er
erläutert.
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Es stellen dar: Fig. 1 eine Gaseinleitvorrichtung im Längsschnitt,
bestehend im wesentlichen aus einem als Kegelstumpf ausgebildeten gasdruchlässigen
Körper, Fig. 2 eine veränderte Einzelheit A in der Gaseinleitvorrichtung gemäss
Fig. 1, Fig. 3 eine Gaseinleitvorrichtung im Querschnitt geräss der Linie III -
III in Fig. 1 und 4, Fig. 4 eine Gaseinleitvorrichtung im Längsschnitt, bestehend
im wesentlichen aus einem Zylinder ausgebildeten gasdurchlässigen Körper.
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Fig 5 und 6 veränderte Einzelheiten A inder Gaseinleitvorrichtung
gemäss Fig. 4.
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Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Metallhülse 1, den
Gaseinleitstein im engeren Sinne 3 aus gasdurchlässigem
feuerfesten
Material und einem Metalldeckel 4 an der der Aussenwand des Reaktionsgefässes zugewandten
Seite der Vorrichtung. Das einzuleitende Gas wird in einer Bohrung durch den Deckel
4 eingeführt, gelangt in einen Vorraum und von dort aus in den Gaseinleitstein 3,
wo es fein verteilt wird. Diesen Gaseinleitstein 3 verlässt das Gas in For von feinen
Blasen d.;rch die qanze Oberfläche der der Innenwand des Reaktionsgefässes zugewandten
Seite des Steines.
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Die Metallhülse 1 wird durch mehrere Schrauben 5 mit der metallsichen
Aussenwand 18 des Reaktionsgefässes verbunden.
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Wegen der zu erwartenden thermischen Effexte beim Autheizen des Reaktionsgefässes
und der daraus resultieren@en relative Bewegung zwischen Hülse und Aussenwand 18
sind die Schrauben 5 auf Federringen 10 gelagert. Die Metallhülse passt in entsprechende
Durchführungen in der aus feuerfestem Material bestehenden Innenwand 17 des Reaktionsgefässes.
Dadurch ist einerseits gewährleistet, dass das einzuleitende Gas nicht durch allfällige
Undichtigkeiten im Material der Wand austreten kann, andererseits ist dadurch die
Auswechselbarkeit der gesamten Vorrichtung gegeben. Die Hülse 1 weist entweder einen
konisch verjüngten Abschnitt mit anschliessendem hohlzylindrischen Abschnitt in
Richtung der Aussenwand 18 auf (Fig. 1), oder sie besteht aus zwei hohlzylindrischen
Abschnitten verschiedenen Durchmessexs, welche untereinander
durch
eine Ringscheibe 21, aus Metall dauerhaft verhunden sind ( Fig 4, 6). Alternativ
dazu besteht die Möglichkeit, auf den hohlzylindrischen Abschnitt mit dem kleineren
Durchmesser zu verzichten und die Hülse 1 in Richtung dr Innenseite des Reaktionsgefässes
an einem entsprechenden Vorspruong der Innenwand 17 enden zu lassen (Fig. 5), Die
hülse 1 weist bei allen Ausführungsformen aXn ihrer Innenseite $ungefähr in Höhe
der Aussenwand 18 eine Ringnut 16 zur Verankerung eines Seeger-Ringes 7 auf. Auf
der der Aussenwand 18 zugewandten Seite ist die Metallhülse 1 mit einer Ringscheibe
15 verschweisst, welche eine Mehrzahl von Bohrungen der Aufnahme der Inbusschrauben
5 aufweist, mit welchen die Metallhülse an der Aussenwand 17 auswechselbar verbunden
wird. Zwischen der Ringscheibe 15 und der Aussenwand 17 kann zusätzlich eine Isolierung
12 aus Asbestschnüren eingebaut werden Die Ringscheibe 15 Weist eine entsprechende
Anzahl von Bohrungen zur Aufnahme zur chrauben auf, welche die Hülse 1 mit dem Deckel
4 verbinden, sowie eine kreisringförmige Ausnehmung an inrer nnm Metalldeckel 4
zugewandten Seite zur Aufnahme einer Dichtung 6. Wird die Metallhülse entsprechend
der Fig. 1 mit einer konisch verjüngten Abschnitt hergestellt, so empfiehlt es sic:
aus fertigungstechnischen Gründen, an der Innenseite der hülse an der Uebergangsstelle
zwischen konischem und hohl7ylindrischem Abschnitt eine weitere Ringnut anzubringen.
Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, die gesamte Metallhülse aus einem
beliebigen
Gusserkstoff aus einem Stück zu giessen.
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Eine andere konstruktive Möglichkeit besteht bei allen Ausführungsarten
der Metallhülse 1 darin, diesselbe nicht durchaehend bis zur Innenseite des Reaktionsgefässes
zu führen, sondern sie an einem ringscheibenförmigen Vorsprung 14 aus feingeriebenem
Beton an der Innenwand des Reaktionsgefässes enden zu lassen. Dadurch kann unter
Umständen die Dichtung zwischen innenwand 17 und Gaseinleitstein 3 verbessert werden,
und der in Einzelfällen unerwünschte Kontakt zwischen dem Metall der Hülse 1 und
dem Inhalt des Reaktionsgefässes vermieden werden (Fig. 2 und 6).
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Der Gaseinleitstein 3 im engeren Sinne besteht aus gasdurchläfssigem
feuerfestem Material und entspricht in seiner Form der Metallhülse 1. Zwischen dieser
und dem Einleitstein kann zur Dichtung und Wärmeisolation eine Schicht azs Aluminium
Silizium-Faserstoff oder ähnlichen Materialien verwendet werden. Dieser Gaseinleitstein
3 wird folgendermassen in der Metallhülse 1 montiert: Der Gaseinleitstein 3 wird
entsprechend der vorgesehenen Form lose in die Hülse 1 eingelegt. Darauf wird eine
vorgegebene Anzahl Tellerfedersäulen 8, 11 aus wechselsinnig aneinandergereihten
Einzeltellern 11 und einem Zentralbolzen 8 vorbereitet und in die hiefür vorgesehenen
Bohrungen des Zwischenbodens 9 einaesetzt. Der Zwischenboden 9 wird anschliessend
unter Druckanwendung auf die
Höhe der Ringnut 16 gebracht und auf
dieser Höhe durch einen Ringnut passenden Seeger-Ring 7 arretiert.
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Die Reihenfolge der Schritte beim Montieren von Hülse 1 und Gaseinleitstein
3 in der Wand des Reaktionsgefässes ist beliebig. Insbesondere kann der Gaseinleitstein
3 unter Belassen der Metallhülse in der Wand des Reaktionsgefässe ausgewechselt
werden.
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Entsprechend den Anforderungen an die Qualität der Dichtung zwischen
hülse 1 und Einleitstein 3, den erwarteten thermischen Effekten zwischen den beiden
Materialien, und dem Gewicht des Einleitsteins 3 kann die Tellerfedersäule 8, 11
berechnet werden, und bei wechselnden betrieblichen Anwendungsproblemen oder Alterung
der Vorrichtung ausgewechselt werden, und dadurch Ihre Kennlinie in Abhängigkeit
von den wechselnden Verhältnissen ausgewählt werden. Im Dauerbetrieb bei der Behandlung
von Aluminiumschmelzen bei rund 700 -9000c in einem Durchlaufbehälter aus Beton
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Einzelteller (n=1) wechselsinnig aneinanderzureihen.
Danit ist nicht ausgeschlossen, dass für andere betriebliche Probleme unterschiedlich
dicke Tellerfederpaare aneinandergereiht werden können und dementsprechend mit einer
progressiven Kennlinie der Säule gearbeitet wird.
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Beider konischen Ausführungsform gemäss Fig. 1 und 2 wird der Gaseinleitstein
3 entsprechend dem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten der hülse 1 durch
den Federdruck
automatisch tiefer in die Hülse hineingeführt und
dadurch bei Aufheizen des Reaktionsgefässes eine gleIchbleibend gute Dichtigkeit
erzielt. Bei der zylindrischen Ausführungsform nach Fig. 4 bis 6 wird eine kreisringförmige
Dichtung 20 aus Metall oder einem anderen geeigneten Werkstoff zwIschen Hülse 1
und Einleitstein 3 in der Uebergangs regIon 21 zwischen Abschnitt mit grösserem
und Abschnitt mit kleinerem Durchmesser eingebaut. Auch in dieser Ausführungsforn
wird beim Aufheizen des Reaktionsgefässes gleichbleibend gute Dichtigkeit zwischen
dem Abschnitt 21 der Hülse und dem Eingleitstein erreicht, weil die grössere thermische
Ausdehnung der Hülse in ihrer Längsrichtung durch den Druck der Tellerfedersäule
8, 11 ausgeglichen wird.
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Zum Verschliessen der Vorrichtung an der Aussenseite des Reaktionsgefässes
dient ein kreisrunder Metalldeckel 4, welcher eine Anzahl Bohrungen zur Aufnahme
von Schrauben 5, eine zentrale Bohrung 19 zur Einführung des Gaseinleitrohres, sowie
einen ringförmigen Wulst aufweist, welcher in die Ausnehmung 6 der Rinoscheibe 15
passt. Bei er Montage dieses Metalideckeis 4 wird eine kreisringförmige Dichtung
6 aus Metall oder einem anderen geeigneten Werkstoff zwischen Wulst und Ausnehnung
gepresst, und die Schrauben 5 durch Federringe 13 gesichert.
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Das eingepresste Gas gelangt durch die zentrale Bohrunq 19 in einen
von Deckel 4 und Metallhülse 1 gebildeten Vorraum, darauf durch einige dem Druckausgleich
dienende Bohrungen 22 in dem Zwischenboden 9 in den durch die Telleredersäulen 11
gebildeten weiteren Vorraum und von dort in den gasdurchlässigen Einleitstein 3.
Durch die feinen Poren derselben wird das Gas fein verteilt und tritt auf der ganzen
Oberfläche des Gaseinleitsteins in das Reaktionsgefäss ein.
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In einem betrieblichen Anwendungsbeispiel wurde mit der Vorrichtung
gemäss Fig. 1 Argon in eine Aluminiumschmelze eingeleitet. Der Gasdruck in der Vorkammer
vor den Einleitstein im engeren Sinn betrug 1 bis 3 atü, die Durchflusstenge 3,3
Nm³/h. n² im Dauerbetrieb und die Temperatur der Aluminiumschmelze 710°C. Der Einleitstein
bestand aus Zirkonsilikat die Hülse aus Stahl und die Wand des Reaktionsgenasses
aus feuerfesten Zement. Gegenüber der Einleitvorrichtung mit eingemauertem Einleitstein
konnte der Gasverlust bei gleichbleibender Qualität des gereinigten Metalls um 903
im Dauerbetrieb reduziert werden. nach einmaliger Montage der Vorrichtungen erwiesen
ist sich Is praktisch wartungsfrei, $während bei eingemauertan Einleitkörpern Häufig
Undichtigkeiten repariert-werden mussten. Während eingemauerte Steine nach 3 Monaten
im Dauerbetrieb ausgewechselt werden mussten, erwiesen sich die Einleitkörper in
der erfindungsgemässen Vorrichtung noch nach 6 Monaten als völlig einwandfrei