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Blasstein für metallurgische Pfannen und
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Verfahren zu seinem Einfügen in die Zustellung Die Erfindung bezieht
sich auf einen Blasstein nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren
zu seinem Einfügen in die feuerfeste Zustellung einer metallurgischen Pfanne.
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In der modernen Pfannenmetallurgie ist es unumgänglich, den Stahl
mit inerten Spülgasen (Argon, Stickstoff) zu spülen, welche in der Schmelze enthaltene
unerwünschte Gase mit sich fortnehmen und die Schmelze also entgasen, zur rascheren
Agglomeration und zum Auftrieb von Oxidpartikeln führen und schließlich eine Rühr-
bzw. Homogenisierungswirkung auf die Schmelze ausüben. In anderen Fällen werden
allerdings auch Reaktionsgase und -stoffe zugeführt, die mit in der Schmelze enthaltenen
Bestandteilen bestimmte Reaktionen eingehen sollen.
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Für die Zufuhr von Spülgasen sind feuerfest umkleidete Spüllanzen
bekannt, als welche auch die Stopfenstange, so vorhanden, dienen kann (DE-PS 11
44 009) die zu diesem Zweck mit inneren Gaskanälen und
Gasaustrittsöffnungen
im unteren Bereich versehen ist. Da indessen moderne Pfannen meist mit Schieberverschlüssen
arbeiten und keine Stopfen stange mehr vorhanden ist, ist heute in vielen Fällen
ein sogenannter Spülstand mit einer eigenen Spüllanze vorhanden. Dies ist ein erheblicher
zusätzlicher apparativer Aufwand. Die Standzeiten derartiger Anordnungen sind außerdem
ziemlich schlecht.
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Es wird daher vorgezogen, das Spülgas von der Wandung, z.B. vom Boden
der Pfanne her zuzuführen.
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Eine Ausführungsform mit diesem Merkmal ist aus der DE-PS 20 19 550
bekannt, bei der in der Durchflußöffnung der Lochplatte eines Schieberverschlusses
ein gasdurchlässiger Körper aus feuerfestem Material angeordnet ist, durch welchen
ein inertes Gas der Schmelze zuführbar ist. Hierbei wird gleichzeitig verhindert,
daß das Metall in der Lochplatte erstarrt und die Durchflußöffnung verschließt.
Durch die Gaszuführung im Schieberverschluß wird dieser jedoch verkompliziert und
in seiner Betriebsweise beeinträchtigt.
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Es sind jedoch auch Blassteine bekannt, die getrennt vom Ausfluß
im Boden oder der Seitenwand angeordnet sind. Bei diesen, dem Oberbegriff zugrundeliegenden
Ausführungsformen sind als Sitz für den eigentlichen Blasstein, der auch als Spülkegel
bezeichnet wird, in der feuerfesten Zustellung sogenannte Spülsteine angeordnet,
die eine kegelige Ausnehmung aufweisen, in welcher der eigentliche Blasstein angeordnet
wird, der aus einem porösen, aus feuerfestem Material gebrannten Stein besteht,
der ringsum von einem Blechmantel umgeben ist und nur in dem abgeschnittenen oberen
Ende des Kegels, welcher unmittelbar an die Schmelze grenzt, offen ist. Auf der
gegenüberliegenden Seite ist ein Rohranschluß für die Einleitung
des
Gases vorgesehen, welches den porösen Stein durchsetzen und an der offenen Oberseite
gleichmäßig austreten soll. Derartige Blassteine werden in die feuerfeste Zustellung
des metallurgischen Gefäßes (Boden oder Wand) eingebaut und sind dann Teil der feuerfesten
Auskleidung desselben, die den Stahl nicht durchlassen, wohl aber das Gas.
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Derartige sogenannte "Spülsets" (Spülkegel bzw.
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Blasstein plus Spülstein) haben folgende negative Eigenschaften: Vielfach
bläst der Stein an der offenen Seite gar nicht über die ganze Fläche des feuerfesten
Materials, da die Poren durch erstarrten Stahl verstopft sind. Dies ist darauf zurückzuführen,
daß der Blasstein durchgehend aus vorher keramisch gebranntem bzw. gesintertem Material
mit entsprechend relativ hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. Der Blasstein nimmt also
durch die angrenzende Schmelze ziemlich viel Wärme auf, und es fällt die Temperatur
von der Steingrenze nach innen relativ langsam ab, so daß die Schmelze in flüssigem
Zustand tief in den Stein eindringen kann und die Poren bis tief in das feuerfeste
Material hinein verbären, typisch etwa 5 bis 30 mm tief. Der Stein geht dann oft
bei einer neuen Charge in der Schmelze nicht mehr auf.
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Das Gas strömt nicht mehr durch den Stein, sondern am Blechmantel
entlang. Dies geschieht natürlich entlang eines Weges des geringsten Widerstandes,
so daß die übrigen Stellen des Blechmantels von der Spülung nicht mehr erfaßt werden
und eine entsprechend hohe Temperatur annehmen können, die bei einem stellenweisen
Wegschmelzen des Blechmantels die Gefahr eines Durchbruchs der Schmelze heraufbeschwört.
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Außerdem entsteht dadurch, daß die Schmelze nur noch an einer Stelle
austritt, bei gleicher Gasmenge eine höhere Austrittsgeschwindigkeit und ein scharf
gerichteter Strahl. Das Gas erfaßt dadurch ein
weniger breites Volumen
der Schmelze. Insbesondere aber ergibt sich durch den scharfen Strahl in der umgebenden
Schmelze eine Strömung, die eine starke Erosion des benachbarten Feuerfestmaterials
hervorruft, welches also voreilend verschleißt. Durch den Betrieb des Spülsets wird
also bei den bekannten Ausführungsformen die Dauerhaftigkeit der umgebenden Feuerfestzustellung
beeinträchtigt.
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Aus Sicherheitsgründen wurde bisher vielfach ein zweites Spülset
eingebaut, auf welches ausgewichen werden konnte, wenn das erste Spülset nicht aufging.
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Das zweite Spülset wird natürlich mit dem feuerfesten Material der
Zustellung verbraucht und ist auch bei Nichtbenutzung spätestens bei der Neuzustellung
verloren.
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Die Haltbarkeit der in Gebrauch befindlichen Spülsets beträgt typisch
nur etwa 10 bis 50 % der normalen Feuerfestzustellung, so daß ständige Zwischenreparaturen
notwendig sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Blasstein der dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art so auszubilden, daß seine Haltbarkeit
im wesentlichen der der übrigen feuerfesten Zustellung der Pfanne entspricht, das
Blasen während der Lebensdauer des Blassteins möglichst auf seiner ganzen Blasfläche
erfolgt und durch das Vorhandensein des Blassteins die Haltbarkeit der umgebenden
Zustellung nicht beeinträchtigt wird.
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Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 wiedergegebenen
Merkmale gelöst.
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Der Blechmantel erstreckt sich nicht über die ganze Höhe des Blassteins,
sondern beispielsweise nur etwa über ein Drittel bis ein Sechstel derselben und
kommt mit dem flüssigen Stahl nicht in Berührung.
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Es kann somit nicht zu einem Wegschmelzen des Blechmantels und einem
Durchbruch kommen.
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Sollte das Gas beim Blasen am Blechmantel entlang kriechen, kommt
es nur bis zur Abdichtung am oberen Rand. Es baut sich dann am Fuß des Steins innerhalb
des Blechmantels ein Druck auf, der das Gas auf der ganzen Fläche durch die Kanäle
der Steine zwingt.
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Der erfindungsgemäße Blasstein bläst also stets über die ganze Oberfläche,
wodurch sich ein homogenes Spülen mit großer metallurgisch wirksamer innerer Gasoberfläche
ergibt. Da das Spülgas nicht am Blechmantel entlang an einer Stelle entweicht, gibt
es keine durch zu hohe Gasgeschwindigkeit erzeugten turbulenten Strömungen in der
Schmelze, die das benachbarte feuerfeste Material zerstören könnten. Weil der erfindungsgemäße
Blasstein mit Sicherheit aufgeht, ist kein zweiter Blasstein erforderlich. Es ist
auch kein sogenanntes "Spülset" mit Spülstein und Spülkegel mehr erforderlich. Der
erfindungsgemäße Blasstein ist beides in einem. Die Haltbarkeit entspricht der Haltbarkeit
der normalen Feuerfestzustellung der Pfanne. Insgesamt ergeben sich dadurch erhebliche
Kosteneinsparungen.
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Eine wichtige Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs
2.
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Durch die Verwendung grünen feuerfesten Materials für den Stein an
Stelle eines vorgebrannten keramischen Materials ist die Wärmeleitfähigkeit wesentlich
geringer und wird der Stein von der angrenzenden Schmelze erst nach und nach jeweils
nur oberflächlich gesintert. Die Folge dieser verringerten Wärmeleitfähigkeit ist,
daß der flüssige Stahl nach Beendigung
des Spülvorganges nur etwa
0,5 bis 5 mm tief eindringt.
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Eine derartig geringe Tiefe der Verbärung der Gaskanäle gewährleistet
ein hundertprozentiges Wiederaufschmelzen der Kanäle durch die folgende Charge.
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Die nach Anspruch 3 sich ergebende glatte Umfangsfläche des Blassteins
erleichtert das dichte Einfügen in die umgebende feuerfeste Zustellung. Die Außengestalt
des Blassteins entspricht genau der der feuerfesten Steine der umgebenden Zustellung,
und es bedarf keines Ausgleichs etwa vorhandener Spalte durch Stampfmasse oder dergleichen.
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Die Kanäle gehen vorzugsweise über die Höhe des Steines im wesentlichen
gerade durch, was die Herstellung des Steins durch Vergießen des feuerfesten Materials
in eine mit parallelen herausziehbaren Drähten versehene Form ermöglicht. Die Kanäle
bzw. Drähte weisen zweckmäßig einen Durchmesser von etwa 0,5 bis 1,2 mm auf, wodurch
sich noch ein ausreichender Gasdurchtrittsquerschnitt ergibt, der Stahl aber noch
nicht nennenswert eindringt.
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Die Abdichtung des Blechmantels am oberen Rand kann durch eine Abwinkelung
nach den Ansprüchen 4 und 5 verwirklicht sein, die sich etwa zwischen Blechmantel
und Stein hindurchdrückendes Gas abblockt, so daß der Druck ansteigen kann und das
Abblasen im Querschnitt gefördert wird.
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Die Höhe des Blechmantels wird zweckmäßig nach Anspruch 6 bemessen
und hängt in ihrem Absolutwert vom Einzelfall, d.h. von dem Material der Zustellung
und des Blassteins, von der Art und Temperatur der Schmelze usw. ab.
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Jedenfalls ist durch die angegebene Bemessung sichergestellt, daß
der Blechmantel auch bei dem tiefsten Verschleiß der normalen Zustellung einer Pfanne
während einer Betriebsperiode nicht von der Schmelze erreicht wird.
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Gemäß Anspruch 7 soll der Stein so in die Zustellung eingesetzt werden,
daß das grüne feuerfeste Material unmittelbar an die umgebende Zustellung anstößt,
sei es feuerfeste Steine oder Stampfmasse.
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Wenn das grüne Material dann unter der Wirkung der Schmelze oberflächlich
versintert, stellt sich eine dichte Verbindung zum umgebenden feuerfesten Material
ein.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Blasstein;
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch die Form zur Herstellung des Blassteins; Fig.
3 zeigt einen Schnitt durch die feuerfeste Zustellung einer Pfanne mit eingesetztem
Blasstein.
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Der in Fig. 1 als Ganzes mit 10 bezeichnete Blasstein besteht aus
einem in dem Ausführungsbeispiel zylindrischen Stein 1 aus grünem feuerfesten Material,
welcher über seinen Querschnitt verteilt achsparallele Kanäle 2 von etwa 0,8 mm
Durchmesser enthält und im unteren Bereich über etwa ein Viertel seiner Höhe von
einem zylindrischen Blechmantel 3 umgeben ist, der an seinem oberen Rand eine über
den Umfang durchgehende, nach innen in das Innere des Steins 1 vorstehende rechtwinkelige
Abwinklung 4 und am unteren Ende einen geschlossenen Blechboden 5 aufweist, der,
wie in Fig. 1 links dargestellt, am Rand eine Bördelung 6 aufweisen und mit dieser
Bördelung in das untere Ende des Blechmantels 3 eingesetzt und dort mit diesem verschweißt
sein kann. Es ist aber auch möglich, den Blechboden 5 stumpf gegen den Blechmantel
3 zu setzen und mit einer Kehlnaht 6' zu verschweißen, wie in Fig. 1 rechts dargestellt.
In der
Mitte ist an den Blechboden ein Anschluß 7 in Form eines
Rohrstutzens angeschweißt, der mit einer Lochtung 8 im Boden 5 fluchtet und am unteren
Ende ein Schraubgewinde 9 für die Verbindung mit einem Gasanschluß trägt. Die Gesamthöhe
des Blassteins 10 beträgt in einem typischen praktischen Beispiel etwa 210 mm, die
Querabmessung etwa 150 mm und die Höhe des Blechmantels 3 40 mm.
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Statt eine Zylinderform aufzuweisen, kann sich der Stein 1 auch nach
oben über seine ganze Höhe oder oberhalb des Blechmantels 3 beginnend konisch verjüngen.
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Die Herstellung des Blassteins 10 ist in Fig. 2 angedeutet. Es ist
eine zylindrische Form 11 vorgesehen, deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser
des Blechmantels 3 entspricht. Auf dem Boden der Form leigt eine Lochmatrize 12,
die über den Querschnitt der Form verteilte Lochungen 13 aufweist. Oberhalb der
Form ist an einem Ständer 14 eine gleiche Lochmatrize 15 eingespannt, die sich ebenso
wie die Lochmatrize 12 senkrecht zur Achse der zylindrischen Form 11 erstreckt.
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In die Lochungen der Lochmatrizen 12,15 sind gerade Drähte 16 von
etwa 0,8 mm Durchmesser eingesteckt, die sich also parallel zur Achse der Form der
Länge nach durch diese hindurch erstrecken. Der Ständer 14 wird von einer Bodenplatte
17 gehalten, auf der die Form 11 steht und die Bodenplatte 12 liegt. In dem Bereich
der Lochungen 13 weist die Bodenplatte 17 eine Ausnehmung 18 auf, so daß die Drähte
16 nach unten über die Bodenplatte 12 überstehen können.
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Die Bodenplatte 12 läßt am Rand ein wenig Zwischenraum zum Innenumfang
der Form 11, so daß der Blechmantel 3 in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise in die
Form 11 eingesetzt werden und mit seinem unteren Rand in den Zwischenraum zwischen
den Außenumfang der Lochplatte 12 und dem Innenumfang der
Form
11 eingreifen kann. Dies hat den Sinn, den untersten Bereich des Blechmantels 3
von feuerfestem Material freizuhalten, damit nach dem Entformen der Boden 5 (Fig.
1) eingesetzt und mit seinem Rand bei 6,6' mit dem Blechmantel 3 verschweißt werden
kann.
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Es wird sodann die Form 11 mit flüssig angerührtem 97%igen Al203
ausgegossen, wobei die Drähte die Kanäle 2 (Fig. 1) bilden. Die Masse bindet hydraulisch
ab, und es können nach 2 bis 3 Stunden der gebildete Stein entformt und die Drähte
16 herausgezogen werden. Der Stein 1 wird dann 24 Stunden raumtrocknen gelassen
und anschließend zum Austreiben jeglichen Restwassers 24 bis 36 Stunden bei 3000
C getrocknet.
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Als feuerfestes Material kommen auch andere A1203-Materialien, MgO,
Zr02 . Si02 u.dgl. in Betracht.
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In Fig. 3 ist der aus Stahl bestehende Pfannenboden 20 erkennbar,
der ein Dauerfutter 30 aus Platten tragt, auf welches der Blasstein 10 mit seinem
Blechmantel 3 aufgesetzt ist. Der Anschluß 7 ragt durch eine Ausnehmung 29 des Pfannenbodens
20 nach außen. Der Blasstein 10 grenzt in dem oberen Bereich, wohin sich also der
Blechmantel 3 nicht erstreckt und grünes Material vorhanden ist, unmittelbar an
die Zustellung 22 der Pfanne und schließt oben mit dieser ab. Wenn die Pfanne in
Betrieb genommen wird, versintert das Material des Steins 1 ebenso in einer Oberflächenschicht
wie die Zustellung 22. Da der Stein 1 grün eingesetzt wird, ist seine Wärmeleitfähigkeit,
verglichen mit gesintertem Material, gering (etwa Faktor 10) und der Wärmetransport
von der Schmelze in die zum Pfannenboden 20 hin gelegenen Bereiche vermindert, so
daß im Betrieb die Temperatur nur in einer relativ dünnen äußeren Schicht den Versinterungsbereich
erreicht und die Versinterung nur langsam durch den Stein hindurch fortschreitet.
Die Haltbarkeit des Blassteins 1 entspricht der der Zustellung 22.
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Im Betrieb wird durch den Anschluß 7 ein Spülgas eingeleitet, welches
sich oberhalb des Bodens 5 verteilt und in die Kanäle 2 eintritt, den Stein 1 durchsetzt
und an der Oberseite desselben über seinen Querschnitt verteilt austritt, wie bei
23 in Fig. 3 angedeutet. Durch die Abwinklung 4 wird das Gas daran gehindert, sich
zwischen Blechmantel 3 und Stein 1 einen günstigen Weg zu suchen und an einer Stelle
am oberen Rand des Blechmantels 3 abzublasen. Die Abwinklung 4, die ja nach innen
in das Steinmaterial eingreift, dichtet vielmehr diesen Ausweg des Gases ab, so
daß es nur durch die Kanäle 2 entweichen kann. Sollten diese in einem bestimmten
Betriebszustand durch die Schmelze zunächst geschlossen sein, kann der Druck des
Gases, ohne daß es an einer falschen Stelle ausbricht, so weit gesteigert werden,
daß die Kanäle 2 freigedrückt werden und das Blasen stets im Steinquerschnitt und
nicht am Rand erfolgt.
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Der Blechmantel 3, der normalerweise nur etwa ein Drittel bis ein
Sechstel der Höhe des Blassteins 10 einnimmt, verbleibt deswegen stets unterhalb
der tiefsten Verschleißgrenze 24 der Zustellung 22 und wird nie von der Schmelze
unmittelbar erreicht, was die Gefahr von Durchbrüchen vermindert.