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Bes chreibung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Keramikdüse des Eintauchtyps,
die ein permeablem Bohrungsteil aufweist, das durch eine ringförmige Sammelleitung
umgeben ist, wobei die Sammelleitung zwischen dem Bohrungsteil und der weniger permeablen
integrierten Körper der Diese angeordnet ist. Die Sammelleitung ist zur Zufuhr von
Inertgas in die Misenbohrung vorgesehen. Die Diise wird dadurch hergestellt, daß
ein ungebranntes Keramikbohrungsteil auf einen Dorn angeordnet wird, der sich in
einem Formbehälter befindet, wobei der Formbehtilter den Diisenkörper definiert.
Die äußere Oberfläche des Bohrungsteiles wird mit einem ausgebrannten Material bedeckt,
das während des Formvorganges der Düse den Bereich für die Sammelleitung ausfüllt
und nach dem Brennen im Brennofen wegbrennt und dadurch einen leeren Raum hinterläßt,
der die Sammelleitung bildet. Das Weramikgemisch fAr das Bohrungsteil umfaßt ausgebranntes
Material, sodaß nach dem Brennen das Bohrungsteil bedeutend permeabler ist, als
der Düsenkörper.
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Beim Gießen von geschmolzener Stahl ist es während eines kontinuierlichen
Gießvorganges aus einer Gießpfanne in einen Trichter und anschließend aus einem
Trichter in die Form, besonders wenn der geschmolzene Stahl mit Aluminium versetzt
ist, wichtig zu verhindern,
daß sich Pluiriniurrablagerungen in
der Bohrung einer vorgesehenen Diese aufbauen, da ein übermäßiger Aufbau die Diese
verstonfen und den ganzen Gießvorgang unterbrechen kann. In einigen Anlagen sind
tauchfähige Düsen, die auch als Gießrohre oder Cießmäntel bezeichnet werden, eingesetzt,
um den Strom geschmolzenen Metalls kontinuierlich zu umgeben, der die Gießpfanne
oder den Trichter verlaßt, und um dadurch Verunreinigungen des Metallstromes oder
eine partielle Oxydation aufgrund des Kontakts mit der Atmosphire zu verhindern.
Dabei ist es wünschenswert zu verhindern, daß die tauchf,-higen Diisen verstopfen
oder aufgrund des direkten Kontakts mit dem Strom geschmolzenen Metalls zerfressen
werden.
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Es wurden bereits Anstrengungen unternommen, den Aufbau von ßluriniur
in Diesen zu verhindern, indem man Einrichtungen zum Einspritzen von Inertgas, z.B.
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Argon, in die Bohrung vorsah. Das US-PS 3838798 (Wendell C. Vos),
zeigt einen solchen Vorschlag, bei dem die DUse einen Keramikring aufweist, der
die Bohrung umgibt und in den Inertgas eingeführt wird. Das US-PS 3253307 (D.K.
Griffiths et al) schlägt eine rehrstückige, körperlich zusammengesetzte Düse vor
zum Regulieren eines Strorres geschrolzenen Metalls, der durch die Düse hindurchströmt,
wobei Inertgas in die Düsenbohrung eingespritzt wird. Es wurden zweiteilige Düsen
hergestellt,
wobei die Teilelnachdem jedes Teil gesondert gebrannt
wurde, durch Kleben verbunden wurden. In derartigen Düsen bilden die Teile ein Bohrungsteil
und ein Körper teil mit einem dazwischenliegenden Faur, der eine die Bohrung umgebende
Sarmelleitung bildet und dem ein Inertdruckgas zur Einspritzung in die Düsenbohrung
zugeführt werden kann.
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Obwohl die vorbekannten Bauarten die Ablagerung von Aluminium in
den Düsen bedeutend redtlziert und ein wirkungsvolleres kontinuierliches Cießen
erlaubt haben, ist ihr Erfolg begrenzt, aufgrund der Art, in welcher sie hergestilt
werden, indem sie fehleranfällig oder nur sehr schwierig herzustellen sind. Düsen
mit Klebverbindung brechen beim Gebrauch häufig aufgrund der verschiedenen TemperaturaRsdehnungscharakteristika
der Materialien und des Klebstoffs. Derartige Düsen sind deshalb relativ teuer in
der Herstellung und haben zu keinem Erfolg geführt.
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Die erfindungsgemä.ße Düse vermeidet die Nachteile der bekannten
Düsen dadurch, daß. sie einen Bohrungsteil aus einem bedeutend permeablen Keramikmaterial
und einen integrierten Körperteil aus einem weniger permeablen Keramikmaterial und
einer Sammelleitung zwischen den beiden Teilen fÜr die Zufuhr von inertem Druckgas
zur Düsenbohrung durch das permeable Teil aufweist.
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Diese integrierte Düsenkonstruktion wird vorzugswise nach einei Verfahren
hergestellt, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Formen des permeablen
Bohrungsteiles, Umgeben des Bohrungsteiles im " grünenZustand mit einem ausgebrannten
Material und Einlegen in einen Formbehälter zur weiteren Formung des Körperteils.
Wenn das zusammengesetzte geformte grüne Strick gebrannt wird, weist die endgültige
integrierte Keramikdüse einen leeren Raum, der die Sammelleitung definiert, und
eine verbesserte Strukturfestigkeit sowie verbesserte Gasverteilungscharakteristika
auf.
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Das Endprodukt, das frei von Klebverbindungen ist, ist weniger anfällig
gegenüber Fehler aufgrund des thermischen Schocks, der verursacht wird, wenn das
geschmolzene Material durch die Düse hindurchströmt.
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Das Endprodukt ist außerdem weniger teuer in der Herstellung. Das
Endprodukt steLlt eine verbesserte Ausführung dar. Diese und weitere Vorteile und
Ziele der vorliegenden Erfindung werden am besten durch die nachstehende Beschreibung
in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen nachgewiesen. Es zeigen: Fig. 1 eine
Aus führungs form der erfindungsgemäßen DUse im Querschnitt, teilweise weggebrochen,
Fig.
2 das perreable Bohrungsteil der erfindungsgemäßen Düse im Querschnitt, und Fig.
3 einen Teil der Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen leise im Querschnitt,
teilweise weggebrochen.
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In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Düse 10 gezeigt, die in der bevorzugten
Ausführung eine tauchfähige Düse darstellt und die auch üblicherweise als Mantel
oder Cießrohr bezeichnet wird. Die Keranikdüse ist in typischer Art am Boden einer
Gießpfanne oder eines Trichters zum Cießen geschirolzenen Stahls in einem kontinuierlichen
Gießvorgang, besonders wenn aluminiumberuhigter Stahl eingesetzt wird, angebracht.
Zu diesem Zweck ist ein ringförmiger Befestigungsflansch 12 nahe der oberen Ende
der Diise angeformt. Zum Aus gießen des geschmolzenen Metalls weist die Düse eine
langgestrekte Zentralbohrung 14 auf, die sich durch die obere Strnflache des Flansches
12 erstreckt, wo sie sich etwas vergrößert, und die an einem Enteil 15 der Düse
endet.
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Von der Bohrung erstreckt sich durch die Seiten der Düse ein Paar
von sich nach unten und radial nach außen erstreckenden Ausgüssen 16 und 18. In
manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, daß sich die Bohrung 14 über die
gesarrte
Länge der Düse durch die Düse hindurcherstreckt und keine sich radial nach außen
erstreckende Ausgi5sse,wie in der bevorzugten Ausführung1 aufweist.
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Das Keramikmat erial, das den oberen Teil 30 der Bohrung bildet,
ist ein relativ permeable Keramikmaterial, das, wenn es gebrannt wird, eine Vielzahl
von Poren oder winzigen Durchgdngen aufweist, die sich radial durch die Wand des
oberen Teiles 30 hindurcherstrecken. Ein sich im Umkreis herumerstreckender leerer
Ringraum, der eine Sammelleitung 20 definieren, umgibt dieses Bohrungsteil und erstreckt
sich längsweise entlang der Düse 10 nach unten von einem Bereich nahe dem ohren
Ende der Düse. Die äußere Seite der Samwelleitung 20 ist durch das Körperteil 23
der Düse umschlossen, das aus einem bedeutend weniger permeablen Keramikmaterial
hergestellt ist. Um der Sammelleitung 20 und konsequenterweise der Bohrung 14 Inertgas
zuzuführen, ist ein Gaszufilhrungsrohr 22 vorgesehen und in eine dffnung 24 geklebt,
die sich radial nach innen durch die Wand des Körpers 23 hindurch erstreckt und
mit der Sammelleitung 20 in Verbindung steht. Das Ende 26 des Rohres 22 kann an
eine Quelle für inertes Druckgas, wie z.B. Argon, angeschlossen werden, welches
dia Sammelleitung 20 unter Druck setzt und dazu führt, daß das Inertgas der DÜsenbohrung
14 zugeführt wird. Das Zuführrohr 22 ist mittels eines Stahlbandes 28 an der Seite
der
Düse befestigt derart, daß das Ende 26 von der Düse für den
Anschluß einer Inertgasquelle weggebogen werden kann, ohne daß die abgedichtete
Verbindung zwischen dem Rohr und dr Düse bricht. Das entgegengesetzte Ende des Rohes
ist in abdichtendr Weise am Körper der Düse 10 innerhalb der Öffnung 24 mittels
ein3 geeigneten Keramikzements 25 befestigt.
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Die endiltige Düse 10, die in der bevorzugten Ausführung einen Mantel
definiert, ist ein integriertes, einstückiges Keramikteil, das ein Körperteil und
ein Bohrungsteil mit einem längsgestreckten ringförmigen leeren Raum aufweist, der
eine Sammelleitung bildet, die die Bohrung 14 ringsherum umgibt und mittels eines
relativ permeablen Keramikteils in Abstand von der Bohrung 14 gehalten ist. Die
einzigartige Art, in dr diese Düse konstruiert ist, wird nun anhand der Figuren
2 und 3 erklärt.
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Um die einstückige Keramikdüse zu schaffen, die ein Bohrungsteil
mit bedeutend permeablerer Eigenschaft als der Körper des Mantels aufweist und die
dadurch unter Aufrechterhaltung der mechanischen Festigkeit der Düse eine direkte
Zufuhr von Inertgas zu der DUsenbohrung erlaubt, wird zuerst das permeable BohrungsteS
30, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, spritzgeformt.
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Das grÜne (d.h. ungebrannte)Keramikstück wird auf einen sich nach
unten in einen Formbehälter 50 (Fig. 3) erstredienden Dorn 40 angeordnet derart,
daß das verbleibende
Körperteil des PSantels um und in das Bohrungsteil
30 geformt werden kann, um auf diese Weise ein zusammengesetztes grünes Stück zu
erhalten, das, wenn es gebrannt wird, in eine integrierte Düse verschmilzt. Um den
leeren Raum oder die Sammelleitung 20 zu schaffen, wird auf der äußeren Oberflache
des Bohrungsteiles geirä.ß Fig. 3 eine Schicht ausgebrannten riaterials 60 aufgetragen,
um während des Fornvorganges den Raum aus zufüllen, der letztlich den leeren Raum
definiert, wenn der Gegenstand gebrannt wird und das ausgebrannte Material verdampft.
Ir folgenden wird anhand einer detaillierten Beschreibung die Entstehung zuerst
des Bohrungsteils 30 und anschließend der Spritzvorgang und das Brennen der ganzen
Düse näher erläutert.
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Das Bohrungsteil 30 weist ein übliches zylindrisches Keramikteil
auf, das ein kelchförmig geöffnetes oberes Ende 34 besitzt, welches das Bohrungsteil
des Flansches 12 der fertiggestellten Düse 10 darstellt und welches eine sich längs
erstreckende Bohrung 32 aufweist, die den oberen Teil der Bohrung 14 der Düse bildet.
In der bevorzugten Ausführungsform besitzt das Bohrungsteil 30 eine Wanddicke von
3/8 inch (0,95 cm) und eine Längserstreckung von etwa 6 inch (15,24 cm).
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Am oberen bzw. Flanschende 34 befindet sich ein Paar von Stufenabschnitten
35 und 36, die jeweils vertikale und horizontale, sich kreisförnig um das Flanschteil
34
herumerstreekende Segmente bilden. Diese ctufenabschnitte vergrößern
den mit dem verbleibenden Körper der Diese zusammenwirkenden Oberflächenbereich,
wenn die Düse genciß dem System in Fig. 3 spritzgegossen wird. Am unteren Ende des
Bohrungste'les 30 ist ein länglicher und abgerundeter Vorsprung 38 vorgesehen, der
einem ähnlichen Zweck wie die genannten Stufenabschnitte dient.
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Die Düse 10 der bevorzugten Ausführung bildet gundseitzlich einen
geschmolzenen Mantel aus Kieselerde und ist aus einem Grundmaterial hergestellt,
das mit einem Binder vermischt ist, sodaß ihre Snritzformung möglich ist. Der Binder
wird während des Brennvorganges entfernt. Das permeable Bohrungsteil 30 umfaP.,t
weiterhin ein ausgebranntes Material, das, wenn es ir Brennofen gebrannt wird, die
gewi3nschte Permeabilität erzeugt.
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Der Grad der Permeabilität ist durch die Menge des zugesetzten cusgebrannten
Materials bestimmt. In der bevorzugten Ausführungsform enthalt das Gemisch ffr das
Bohrungsteil 30 die folgenden Materialien: TABELLE 1 A. Keramik Gewichtsanteile
1. Geschmolzene Kieselerde ( Silica ) 50/100 56 2. Geschmolzene Kieselerde ( Silica
) 325 44
B. Binder 1. Wahs- Paraffin 11,8 2. Oleinsaure 0,9 3.
Alrosserse 0,2 C. Aus gebranntes Material ffir die Permeabilität 1. Plastik-Microbällchen
0,70 2. Holzmehl 0,88 Diese Materialien werden in einem erhitzten Bottich gemischt,
um eine einheitliche und spritzfähige Mischung zu erhalten, wie es detaillierter
in der U. S.
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PS 4011291 (James D. Curry) beschrieben ist. Wenn die Spritzmischung
fertiggestellt ist, wird das Bohrungsteil 30 in einer Üblichen zylindrischen Form
gemäß Fig. 2 spritzgeformt. Es wird aus der Spritzform als grünes Stilck herausgenommen
und als solches (d.h. vor dem Brennen) in der Vorrichtung gemäß Fig. 3 benutzt,
um die zusammengesetzte Düse in einem grünen Stadium vor dem Brennen zu erhalten.
Bevor das Bohrungsteil 30 auf dem Dorn entsprechend Fig. 3 angeordnet wird, wird
das ausgebrannte Material, daß den leeren Raum 20 bilden soll, um die äußere Oberfläche
33 des Teiles 30 herum aufgetragen.
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In der bevorzugten Ausführungsform enthält das Material 60 ein expandiertes
Polymer-Packmaterial, welches häufig zum Verpacken von Teilen verwendet wird. Das
Material 60 weist eine Dicke von 1/4 inch (0,64 cm) auf, nachdem es
fest
um die äußere Oberfläche des Teiles 30 herumgewickelt bzw. aufgetragen wurde. Dieses
Material besitzt eine Länge von etwa 6 rch (15,24 cm) und eine Breite,die ausreicht
die äußere Oberfläche des Teiles 30 zu umfassen. In der bevorzugten Eusführungsform
wird eine im Handel verfügbare Plastikhlille verwendet, die als F-250 Schauwhillle
bekannt ist und von der Firma Schwarz Paper Company, LaPorte, Indiana verkauft wird.
Es können auch andere expandiete Polymer-Materialien oder organische verbrennbare
Materialien verwendet werden, die bei einer Keramikbrenntemperatur von etwa 2100
F. bis etwa 2200 F. zu Asche verbrennen,ohne einen bedeutenden Anteil von Asche
zu hinterlassen. Um die Materialschicht auf dem Teil 30 während der Spritzformung
des verbleibenden Körperteiis des Mantels zu erhalten, wird ein aufsprühbares Bindemittel
-verwendet. Es könnten auch andere Bindemittel verwendet werden, solange es sich
um allgemein organische Bindemittel handelt und solange sie während des Brennens
des zusammengesetzten Keramikgegenstandes verdampfen. Das Material 60 ist gerade
unterhalb der Stufe 36 angeordnet, soda, es dem nach außen gekrümmten Wandteil des
Teiles 30 folgt, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist.
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Das Bohrungsteil 30 wird dann zusammen mit dem umgebenden ausgebrannten
Material 60 auf den Dorn 40 angeordnet. In seiner grünen Phase bzw. seinem grünen
Stadium besitzt das Teil 30 ausreichend Binder, um das Stück in seiner Lage auf
dem oberen Teil des sich vertikal erstreckenden
Dornes zu halten,
wie in Fig. 3 gezeigt ist Der Dorn 40 wird von innen her beheizt und erstreckt sich
von einer auf- und absenkbaren Plattform 42 in die Formhlften 44 und 46, die den
zylindrischen DU-senformbehälter 50 definieren.
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Der Formbeh.lter 50 endet an seine unteren Ende an einer Crundplatte
62, die eine zylindrische Einspritzöffnung 54 aufweist, die sich nach oben durch
die Sundplatte hindurcherstreckt und nit dem Inneren der Form (d.h. des FormbehXlters
50) in Verbindung steht.
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Ur die Öffnung 24 sowie die AusgÜsse 16 und 18 der Düse zu definieren,
werden Kernstifte 54,56 und 58 entfernbar in den Formbeh4lter eingesetzt derart,
daß sie während der EinfükFung des Formkörpers um das Teil 30 eine Lage entsprechend
Fig. 3 einnehmen. Wenn der Einspritzvorgang beendet ist, werden diese Kernstifte
und der Dorn aus der Form entfernt; die Formhälften 42 und 46 werden getrennt, sodaß
der zusammengesetzte Gegenstand aus der Formvorrichtung entfernt werden kann.
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Das keramische Körperteil, d. h. das Teil ohne dem permeablen Bohrungsteil
30, besteht auch aus einer Kombination von geschmolzener Kieselerde (Silica) und
einem Bindermaterial. Es wird jedoch nicht ein ausgebranntes Material verwendet,
um die Permeabilität wie beim Teil 30 zu erhöhen. Deshalb ist nach dem Brennen
das
äußere Körperteil der Düse, dat die Sammelleitung 20 umgibt, im wesentlichen gasundurchlnssig,
sodaß konsequenterweise das Gas durch das Bohrungsteil 30 in die Düsenbohrung 14
gepreßt wird. In der bevorzugten Ausführungsform stellte sich für den Dlisenkörper
die folgende Mischung als erfolgreich heraus: TABELLE II A. Keramik Cewichtsanteile
1. Geschmolzene Kieselerde (Silica) 10/20 Siebweite (iresh) 27 2. Geschmolzene Kieselerde
(Silica) 14 Siebweite (mesh) 28 3. Geschmolzene Kieselerde (Silica) 325 Siebweite
(mesh) 45 B. Binder 1. WahsParaffin 6,34 2. Alrosperse 0,20 3. Oleinsäure 0,25 Das
zusammengesetze grüne Stück, das das innere Bohrungsteil 30 bildet, dr das Bohrungsteil
30 umgebende Keramikkörper 23 und die noch intakte ausgebrannte Ringeinlage 60 werden
dann entwacht, um den Binder zu entfernen und anschließend gebrannt. Während des
Brennens wird das ausgebrannte Material 60 vollkommen verdampft, wobei es an seiner
Stelle einen leeren Raum hinterläßt,
der die Sammelleitung 20,
wie in Fig. 1 gezeigt, bildet. Nach dem Brennvorgang wird das rostfreie Stahlrohr
22 in die Öffnung 24 eingesetzt, wobei es sich unter einem Winkel von etwa 450 zum
Sammelleitungsbereich hin erstreckt und an der Stelle 25, wie in Fig'. 1 gezeigt,
verklebt wird.
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In der Diise köder der Mantel 10 der bevorzugten Aus führungs form
besitzt die Bohrung 14 einen Durchmesser von etwa 2,75 tch (6,99 cm), während der
Flansch 12 einen außeren Durchmesser von etwa 7,5 inch (19,05 cm) und eine Dicke
(Tiefe) von etwa 1 inch (2,54 cm) aufweist. Die gesamte Düsenlänge beträgt etwa
25 inch (63,50 cm), während die Sammelleitung 20 etwa 6 inch (15,24 cm) lang ist
und sich von einer Lage etwa 0,5 inch (1,27 cm) unterhalb des oberen Endes des Flansches
12 nach unten und konzentrisch zur Bohrung 14 erstreckt.
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Während des Brennens verschmelzen das permeable Teil 30 und der verbleibende
Seramikkorper zu einem integrierten, einstückigen Teil, wobei das ausgebrannte Material
in erster Linie durch das permeable Material 30 während des brennens entweicht.
Der Außendurchmesser des Mantels beträgt etwa 5,5 inch (13,97 er). Die Ausgüsse
16 und 18 besitzen einen Durchmesser von etwa 2 inch (5,08 cm).
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Das Viertel-inch-Rohr 22 wird vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt,
genauso wie das Band 28, welches dazu dient, das Fohr am Körper des Mantels bzw.
der Wise zu halten.
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Die konzentrische Sammelleitung ist im oberen Teil der Düse angeordnet
und erstreckt sich l;ingsweise über 1/4 bis 1/3 der Düsenlänge und schafft damit
die gewünschte Verteilung des Inertgases in der Düsenbohrung während des Gebrauchs.
Die Permeabilität des Bohrungsteiles 30 sollte kontrolliert werden, uir einen ausreichenden
Gas flun) in die Bohrung zu verhalten, während der verbleibende Körper der Diise
ir wesentlichen gasundurchläßig ist. In der bevorzugten Ausfilhrungsform erlaubte
die Permeabilität des Teiles 30 einen Gas fluß von 0,120 ml/min/cm²/cm/(H2O). Der
nützliche Bereich der Permeabilität umfaßt die Werte 0,004 bis 0,400 ml/ min/cm2
/cm/CH2 0). Ausgedrückt in Porosität (ein Maß für die Dichte des Materials) besitzt
das Teil 30 der bevorzugten Ausfilhrungsform eine Porosität von etwa 20%, während
der Körper 23 eine Porosität von etwa 12% besitzt.
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Es ist augenscheinlich fÜr einen Durchschnittsfachmann, daß das Konzept
der vorliegenden Erfindung für eine Vielzahl von Mänteln, Düsen oder anderen Gießteilen,
die in der Stahlindustrie benutzt werden, angewandt werden kann, und daß die spezielle
Forir des Körpers und des permeablen Bohrungsteiles bedeutend verändert werden kann.
Auch kann das Material, das verwendet wird, z.B. Zirkonium, Zirkonerde oder tandem
gewünschte Keramikmaterialien umfassen. Diese oder andere Modifikationen
an
der bevorzugten Ausfithrungsform, die hier offenbart und beschrieben ist, fallen
in den Umfang der vorliegenden Erfindung wie sie in den anliegenden Ansprüchen definiert
ist.
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Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere
die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich
beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik
neu sind,