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Die
Erfindung betrifft einen feuerfesten keramischen Gasspülstein,
wie er in der Sekundärmetallurgie
seit langem bekannt ist.
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Derartige
Gasspülsteine
werden üblicherweise
in der Wand oder im Boden des metallurgischen Behandlungsgefäßes und
hier meist mittels eines Lochsteins eingesetzt. Eine Übersicht über verschiedene
Ausbildungsformen derartiger Gasspülsteine gibt die Radex-Rundschau
1987, 288. Danach lassen sich Gasspüleinrichtungen insbesondere
in solche mit sogenannter gerichteter Porosität und solche mit sogenannter
ungerichteter Porosität
gliedern.
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Ziel
des Gasspülens
zum Beispiel in einer Stahlgießpfanne
sind insbesondere ein schneller Temperatur- und Konzentrationsausgleich
des Stahlbades und dessen Reinigung. Insbesondere nichtmetallische
Einschlüsse
sollen mit Hilfe des Gasstroms schneller in die auf dem Schmelzbad
schwimmende Schlacke befördert
werden. Für
die Homogenisierung des Stahlbades wird ein hoher Gasdurchsatz gefordert,
der sich mit Gasspülsteinen,
die eine gerichtete Porosität
aufweisen, am wirtschaftlichsten erreichen läßt. Dabei kann die gerichtete
Porosität durch
Gaskanäle
mit Kreisquerschnitt oder Gaskanäle
mit schlitzförmigem
Querschnitt erreicht werden. Um eine Metallschmelzeinfiltration
zu verhindern ist darauf zu achten, daß Gaskanäle mit Kreisquerschnitt einen
Durchmesser von vorzugsweise < 1
mm und Gaskanäle
mit Schlitzquerschnitt eine maximale Breite von ebenfalls vorzugsweise < 1 mm aufweisen.
In diesem Fall ist die Länge
der Gasschlitze von untergeordneter Bedeutung.
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Die
Reinigung des Stahlbades läßt sich durch
viele kleine Gasblasen bei geringem Druck am besten erreichen. Hier
zeigt ein Gasspülstein
mit ungerichteter Porosität
Vorteile gegenüber
einem Spüler
mit gerichteter Porosität.
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Ein
Spüler
mit ungerichteter Porosität
weist im Fall einer Metallschmelzeinfiltration den Nachteil auf,
daß er,
sofern die Schmelze eingefroren ist, nur bedingt wieder in Betrieb
genommen werden kann. In jedem Fall ist hierzu ein erheblicher Gasdruck
notwendig, der im Ergebnis dazu führt, daß die infiltrierte Zone abgesprengt
wird. Hierdurch wird der Verschleiß des Gasspülsteins drastisch erhöht.
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Aus
der
EP 0577873 B1 ist
ein Gasspülstein bekannt,
der aus zwei unterschiedlichen, gasdichten Feuerfestmaterialien
gebildet wird, wobei ein Abschnitt den anderen umgibt und in dem
inneren Abschnitt Gaskanäle
zur Durchleitung von Gas ausgebildet sind. Darüber hinaus wird in "Radex-Rundschau" 1987/Heft 1,
4 die
Ausbildung von Gasspülsteinen
mit ungerichteter bzw. gerichteter Porosität dargestellt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Gasspülstein anzubieten,
mit dem eine gute Reinigung des Stahlbades möglich ist, der einen möglichst
geringen Verschleiß zeigt
und der eine gute Homogenisierung des Stahlbades ermöglicht.
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Grundgedanke
der Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen Vorteile eines
Gasspülsteins mit
ungerichteter Porosität
mit den Vorteilen eines Gasspülsteines
mit gerichteter Porosität
zu verbinden. In diesem Sinne liegt der Erfindung die Erkenntnis
zugrunde, einen Gasspülstein
so auszubilden, daß er über Abschnitte
mit gerichteter Porosität
die Durchführung
von Gas unter hohem Druck ermöglicht
und über
Abschnitte mit ungerichteter Porosität den Gasstrom in viele kleine
Gasblasen aufteilt, die die Reinigung des Stahlbades fördern.
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Da
die Kombination gerichteter und ungerichteter Porosität innerhalb
eines Gasspülsteins
jedoch herstellungstechnische Schwierigkeiten aufwirft schlägt die Erfindung
konkret in ihrer allgemeinsten Ausführungsform einen modifizierten
Aufbau vor, der durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
- – mindestens
einen keramischen Körper
mit ungerichteter Porosität,
der sich von einem gaszuführseitigen
Ende bis zu einer gasauslaßseitigen Stirnfläche des
Gasspülsteines
erstreckt,
- – ein
gasdichtes keramisches Material, welches den keramischen Körper mindestens
im Bereich seiner Umfangsfläche
umgibt, wobei
- – im
Grenzflächenbereich
zwischen dem keramischen Körper
und dem gasdichten keramischen Material und/oder innerhalb des keramischen
Körpers
sind mehrere, beabstandet zueinander angeordnete Gaskanäle (22)
ausgebildet, die sich jeweils von einem gaszuführseitigen Ende bis zu der
gasauslaßseitigen
Stirnfläche
des Gasspülsteines
erstrecken.
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Bei
der erstgenannten Ausführungsform kann
der keramische Körper
(mit ungerichteter Porosität)
einteilig sein. Bei der weiteren Konfektionierung wird er entlang
mindestens eines Teils seiner Umfangsfläche (vorzugsweise über die
gesamte Höhe) mit
einem ausbrennbaren Material belegt und anschließend umfangsseitig von einem
gasdichten keramischen Material umhüllt.
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Dabei
kann das gasdichte keramische Material aus einer monolithischen
Masse bestehen, die beispielsweise in einen Ringraum zwischen einer Form
und dem keramischen Körper
eingefüllt
wird; ebenso ist es aber auch möglich,
das gasdichte keramische Material aus einem vorkonfektionierten
Formteil auszubilden, welches auf den keramischen Körper aufgesetzt
wird.
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Das
ausbrennbare Material kann beispielsweise ein Folienstreifen sein,
beispielsweise ein Klebeband oder eine Klebefolie.
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Beim
späteren
Brand des Gasspülsteins brennt
dieser Teil aus und schafft einen schlitzförmigen Gaskanal (also eine
gerichtete Porosität)
im Grenzflächenbereich
zwischen dem keramischen Körper
und dem umgebenden gasdichten Material.
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Es
ist selbstverständlich,
daß mehrere
derartiger ausbrennbarer Streifen beabstandet zueinander im Grenzflächenbereich
zwischen dem keramischen Körper
und dem gasdichten keramischen Material angeordnet werden. In jedem
Fall muß die
Anbringung so erfolgen, daß die
Streifen im Bereich der gasauslaßseitigen Stirnfläche des
Gasspülsteins
enden, um eine Gaszufuhr in eine Metallschmelze zu ermöglichen.
Andererseits muß das
andere Ende so ausgebildet sein, daß es mit Gas beaufschlagt werden
kann.
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In
der nachfolgenden Beschreibung wird hierzu ein Beispiel angegeben.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
wird der keramische Körper
in Gaszuführrichtung
geteilt ausgebildet und mindestens ein Gaskanal zwischen korrespondierenden
Flächenabschnitten
benachbarter Teile des keramischen Körpers ausgebildet.
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Zu
diesem Zweck kann mindestens ein Gaskanal durch mindestens eine
kanalartige Vertiefung in mindestens einem der korrespondierenden
Flächenabschnitte
benachbarter Teile des keramischen Körpers ausgebildet werden. Derartige
Spüleinrichtungen
sind als sogenannte Schlitzspüler
zwar grundsätzlich
bekannt, wobei die einzelnen Teile des keramischen Körpers – außerhalb
der genannten Schlitze – jedoch
aus einem gasdichten Material bestehen, während sie erfindungsgemäß mit ungerichteter
Porosität
ausgebildet sind.
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Die
Querschnittsform des Gasspülsteins und/oder
des keramischen Körpers
kann grundsätzlich
beliebig sein. Aus einbautechnischen Gründen hat sich in den vergangenen
Jahrzehnten jedoch eine Kegelstumpfform für den Gasspülstein als vorteilhaft herausgestellt.
Unabhängig
davon kann nach einer Ausführungsform
der keramische Körper
einen Rechteckquerschnitt aufweisen.
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Bei
einer geteilten Ausführungsform
des keramischen Körpers
besteht dieser entsprechend aus mindestens zwei, beispielsweise
aber auch drei oder vier „Platten", wobei die genannten
schlitzartigen Kanäle
jeweils zwischen korrespondierenden Flächenabschnitten benachbarter
Teile des keramischen Körpers
ausgebildet werden.
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Um
den keramischen Körper
sicher in seiner gasdichten Umhüllung
zu halten sieht eine weitere Ausführungsform der Erfindung vor,
den keramischen Körper
so auszubilden, daß sich
sein Querschnitt, beispielsweise Rechteckquerschnitt, von seinem
gaszuführseitigen
Ende zur gasauslaßseitigen Stirnfläche des
Gasspülsteins
verringert.
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Bei
einer zum gasaustrittsseitigen Ende verjüngenden Querschnittsfläche des
keramischen Körpers
wird dieser auch bei letztgenannter Ausführungsform sicher in der gasdichten
Umhüllung
gehalten.
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Eine
Ergänzung
dieser Ausführungsform sieht
vor, den keramischen Körper
auf einem keramischen Einsatz mit ungerichteter oder gerichteter
Porosität
aufzulegen, wobei der keramische Einsatz und der keramische Körper eine
unterschiedliche Querschnittgeometrie und/oder eine unterschiedliche Querschnittsfläche aufweisen
können.
Je nach Ausführungsform
wird der keramische Körper
auf diese Weise durch das ihn untergreifende gasdichte keramische
Material zusätzlich
gehalten.
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Bei
dem zuvor genannten Ausführungsbeispiel
mit einem keramischen Einsatz unterhalb des keramischen Körpers ergibt
sich der zusätzliche
Vorteil einer Reststärkenanzeige
des Gasspülsteins.
Ist der keramische Körper
nämlich
bis in den Bereich des Einsatzes verschlissen so läßt sich
dies aufgrund der unterschiedlichen Geometrie oder unterschiedlichen
Querschnittsfläche
des dann ausschließlich gasspülenden Einsatzes
optisch erkennen.
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Dabei
kann der keramische Körper
sich über mindestens
zwei Drittel der Gesamthöhe
des Gasspülsteins
erstrecken.
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Der
keramische Körper
kann ebenso wie der genannte keramische Einsatz aus einem beliebigen feuerfesten
Werkstoff bestehen, beispielsweise einer nicht basischen Masse.
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Die
beschriebene Gasspüleinrichtung
weist folgende Vorteile auf:
Einerseits wird ein hoher Gasdurchfluß über die
gerichtete Porosität
(die Gaskanäle,
Gasschlitze) erreicht; andererseits läßt sich über die ungerichtete Porosität des keramischen
Körpers
eine vorteilhafte Gasblasenausbildung erreichen.
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Dadurch,
daß die
den porösen
Körper
und gegebenenfalls den Einsatz umgebende gasdichte Umhüllung eine
Stützwirkung
auf den porösen
Körper/Einsatz
ausübt
wird der Verschleiß insbesondere des
porösen
Körpers
auch dann klein sein, wenn es zu einer Metallschmelzeinfiltration
kommen sollte, die über
erhöhten
Gasdruck (wie oben beschrieben) abgesprengt werden muß.
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Aufgrund
unterschiedlicher Infiltrationsneigung des keramischen Körpers mit
ungerichteter Porosität
und den innerhalb des keramischen Körpers und/oder im Grenzbereich
zum Umhüllungsmaterial ausgebildeten
Gasschlitzen werden in der Regel entweder die ungerichteten Poren
oder die Gasschlitze nicht infiltriert, so daß im Normalfall mindestens
ein Gasspülabschnitt
verzögerungsfrei
nach einer Unterbrechung wieder aktiviert werden kann.
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Wird
nach einer Unterbrechung über
die Schlitze angespült
können
Infiltrationen im Bereich des keramischen Körpers langsam freigeblasen
werden, so daß Abplatzungen
(ein Verschleiß)
entweder ganz verhindert oder zumindest verringert werden.
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Die
den porösen
keramischen Körper
umhüllende
dichte Masse, die beispielsweise aus einem Feuerbeton bestehen kann,
verhindert gleichzeitig einen voreilenden Verschleiß einer
zugehörigen
Lochsteininnenfläche,
in die der Gasspülstein
eingesetzt wird, da sie wie eine Hülse den Lochstein schützt.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den
sonstigen Anmeldungsunterlagen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Dabei
zeigen – jeweils
in schematisierter Darstellung –
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1:
einen Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Gasspülstein.
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2:
einen Horizontalschnitt entlang der Ebene 2-2 gemäß 1.
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3:
einen Horizontalschnitt entlang der Ebene 2-2 nach 1 für eine weitere
Ausführungsform.
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4:
einen Horizontalschnitt entlang der Ebene 2-2 nach 1 für eine dritte
Ausführungsform.
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In
den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit gleichen
Bezugsziffern dargestellt.
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Das
Bezugszeichen 10 nach 1 beschreibt
einen Gasspülstein
insgesamt. Dieser besteht aus einem keramischen Körper 12 mit
ungerichteter Porosität,
der sich von einer oberen Stirnfläche 10s des Gasspülsteins 10 über etwa
zwei Drittel der Gesamthöhe
des Gasspülsteins 10 nach
unten erstreckt und sich dabei im Querschnitt vergrößert. Am unteren
Ende 12u liegt der keramische Körper 12 auf einem
keramischen Einsatz 14 mit ungerichteter Porosität auf, der
bis zur unteren Stirnfläche 10u des Gasspülsteins 10 verläuft, die
von einem Metallblech 16 abgedeckt wird, welches eine mittige Öffnung 16o aufweist,
in die eine Gaszuführleitung 18 einmündet, welche
am Bodenblech 16 angeschweißt ist.
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Sowohl
der keramische Körper 12 als
auch der keramische Einsatz 14 sind von einem gasdichten
Material 20 umhüllt,
welches sich vom unteren Ende 10u zur oberen Stirnfläche 10s des
Gasspülsteins 10 erstreckt.
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Über die
Gaszuführleitung 18 zugeführtes Gas
durchströmt
den Gasspülstein 10 über den
porösen
Einsatz 14 und den keramischen Körper 12, wie nachstehend
beschrieben.
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Gemäß 2 weist
der keramische Körper 12 mit
ungerichteter Porosität
einen quadratischen Querschnitt auf. Im Bereich zweier gegenüberliegender
Außenflächen 12r, 12l,
also im Grenzflächenbereich
zwischen dem keramischen Körper 12 und
dem gasdichten Material 20 ist jeweils ein circa 0,5 mm breiter
Schlitz 22 ausgebildet, der sich über die gesamte Höhe des keramischen
Körpers 12 erstreckt.
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Zur
Ausbildung der Schlitze 22 wurden bei der Herstellung des
Gasspülsteins 10 auf
die Außenflächen 12r, 12l des
keramischen Körpers 12 Klebestreifen
aufgeklebt, die anschließend
mit dem gasdichten keramischen Material 20 übergossen
wurden. Bei der anschließenden
Temperaturbehandlung des Gasspülsteins
wurden die Klebebänder
unter Ausbildung der genannten Schlitze 22 ausgebrannt.
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2 zeigt
entsprechend, daß der
Gasspülstein 10 neben
einer ungerichteten Porosität
im Bereich des Körpers 12 mit
gerichteter Porosität
(Gasschlitzen 22) im Grenzflächenbereich zwischen Körper 12 und
gasdichtem Material 20 ausgebildet ist.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 3 besteht der keramische Körper 12 aus drei Abschnitten 12.1, 12.2, 12.3,
die mit ihren korrespondierenden Flächen gegeneinander liegen und
insgesamt wieder eine quadratische Querschnittsfläche aufweisen.
Die Teile 12.1 und 12.2 sind entlang ihrer Oberflächen zu den
benachbarten Teilen 12.2, 12.3 jeweils mit schlitzartigen
Ausnehmungen 22 ausgebildet, die zusammen mit den korrespondierenden
Oberflächen der
benachbarten Teile 12.2, 12.3 Gasschlitze 22 im Sinne
einer gerichteten Porosität
darstellen.
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Im
Grenzflächenbereich
sämtlicher
Oberflächenabschnitte 12h, 12t, 12l, 12r des
keramischen Körpers 12 zum
umgebenden gasdichten Material 20 sind wiederum (zusätzliche)
schlitzförmige
Kanäle 22 ausgebildet,
die sich im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel
nach 2 jedoch nicht über die gesamte Breite der
jeweiligen Oberfläche 12h, 12t, 12l, 12r erstrecken,
sondern nur über
einen Teilbereich. Die Herstellung dieser Schlitze 22 kann
analog dem Ausführungsbeispiel
nach 2 erfolgen.
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Eine
leicht modifizierte Ausführungsform zeigt 4,
wonach der keramische Körper 12 aus zwei
Teilen 12.1, 12.2 besteht, die entsprechend den Teilen 12.1, 12.2 nach 3 ausgebildet
sind. Das heißt,
auch hier verlaufen zwischen korrespondierenden Flächenabschnitten
der Teile 12.1, 12.2 schlitzförmige Spülkanäle 22.
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Zusätzlich sind – analog 3 – entlang
der äußeren Flächenabschnitte 12h, 12t des
Körpers 12 weitere
Spülkanäle 22 zu
erkennen. Auf den verbleibenden Oberflächenabschnitten 12l, 12r des
Körpers 12 verlaufen ebenfalls
schlitzförmige
Spülkanäle 22, die
sich jedoch – analog 2 – über die
gesamte Breite des Flächenabschnittes 12l beziehungsweise 12r erstrecken.
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Der
in 1 dargestellte keramische Einsatz 14 mit
ungerichteter Porosität
weist eine Kegelstumpfform auf, das heißt einen kreisförmigen Querschnitt,
so daß er
als Reststärkenanzeige
benutzt werden kann, wie vorstehend dargestellt.
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Die
Gaszufuhr erfolgt bei allen Ausführungsformen über die
Gaszuführleitung 18 durch
den keramischen Einsatz 14 sowohl über die ungerichteten Poren
innerhalb des keramischen Körpers 12 als auch über die
in beziehungsweise um den keramischen Körper 12 herum verlaufenden
Schlitze 22 in eine metallurgische Schmelze.
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Bei
voller Gaslast kann es zu einer Abkühlung und leichten Schrumpfung
des benachbarten Feuerfestmaterials kommen, was den positiven Nebeneffekt
einer geringen Schlitzvergrößerung hat, der
bei verringertem Gasdruck beziehungsweise Unterbrechung der Gaszufuhr
(und paralleler Erwärmung
des Feuerfestmaterials) wieder aufgehoben wird. Somit ergeben sich
aus vorbeschriebenem Effekt keine Nachteile hinsichtlich der Infiltrationsgefahr,
im Gegenteil: diese wird zusätzlich
verringert.