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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Gießrohr
zur Verwendung beim Stranggießen
von geschmolzenem Metall. Insbesondere beschreibt die Erfindung
einen Gegenstand und ein Verfahren zur Verbesserung der Fließ- oder
Strömungseigenschaften
des geschmolzenen Metalls.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Beim
Stranggießen
von Metall, insbesondere Stahl, wird typischerweise ein Strom von
geschmolzenem Metall durch ein feuerfestes Gießrohr aus einem ersten metallurgischen
Gefäß in ein
zweites metallurgisches Gefäß oder in
eine Form überführt. Solche
Rohre werden gewöhnlich
als Ummantelungen (shrouds) oder Düsen (nozzles) bezeichnet und
besitzen eine Bohrung, durch die das Metall hindurchtritt. Eine
wichtige Funktion eines Gießrohr
ist es, das geschmolzene Metall in einer reibungslosen und stetigen
Weise ohne Unterbrechung oder Störung
abzugeben. Eine reibungslose, stetige Abgabe erleichtert die Verarbeitung
und kann das Endprodukt verbessern.
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Faktoren,
welche die stetige Abgabe stören können, schließen eine
asymmetrische Strömung von
geschmolzenem Metall und ein Zusetzen der Bohrung ein. Eine asymmetrische
Strömung
kann sich entwickeln, bevor oder nachdem sich der Strom in der Bohrung
befindet. Zum Beispiel kann ein Strom, während er durch eine Bohrung
fließt,
nahe der Mittellinie der Bohrung eine höhere Fluidgeschwindigkeit entwickeln
als entlang der Seiten der Bohrung, oder eine geringere Geschwindigkeit
auf einer Seite der Mittellinie verglichen mit der entgegengesetzten
Seite, oder eine höhere
Fluidgeschwindigkeit abseits der Mittellinie. Die ungleichen Geschwindigkeiten
können
ein Pulsieren und eine übermäßige Turbulenz
beim Austritt aus der Bohrung verursachen, wodurch die Verarbeitung
erschwert und die Güte
des Endprodukts verschlechtert wird. Drosselvorrichtungen, wie Stopfenstangen
oder Absperrschieberventile, können
den Einlass in die Bohrung teilweise verschließen, und bewirken, dass der
Strom von geschmolzenem Metall abseits der Mittellinie in die Bohrung
eintritt. Der Strom kann vorzugsweise auf einer Seite der Bohrung
nach unten fließen
und asymmetrisch aus dem Gießrohr
austreten, was eine Wellenbildung und Turbulenz in einer Form verursacht.
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Ablagerungen
können
ebenfalls die Bohrung zusetzen oder einschnüren, so dass die stetige Abgabe
des geschmolzenen Metalls gestört
wird. In geschmolzenem Stahl sind Ablagerungen in erster Linie Aluminiumoxid
und andere Verunreinigungen mit hohem Schmelzpunkt. Aluminiumoxidablagerungen können zu
Verengungen und zum Zusetzen führen, was
das reibungslose und stetige Strömen
von geschmolzenem Stahl unterbrechen oder wesentlich behindern kann.
Verstopfungen in Rohren können unter
Verwendung einer Sauerstofflanze beseitigt werden, jedoch stört die Arbeit
mit der Lanze den Gießprozess,
verringert die Lebensdauer von Feuerfestmaterialien und vermindert
den Gießwirkungsgrad
und die Qualität
des erzeugten Stahls. Eine totale Verstopfung der Bohrung durch
Ablagerungen vermindert die erwartete Lebensdauer des Gießrohrs und
ist für
Stahlproduzenten sehr teuer und zeitaufwendig.
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Versuche
im Stand der Technik, die Strömung
zu verbessern, schließen
sowohl chemische und mechanische Mittel ein. Zum Beispiel kann die Strömung verbessert
werden, indem man Aluminiumoxidablagerungen und einem anschließenden Zusetzen
entgegenwirkt. Der Stand der Technik hat Inertgas in das Gießrohr injiziert,
um die Strömung
vom Gießrohr
abzuschirmen, um dadurch Ablagerungen und ein Zusetzen zu vermindern.
Unglücklicherweise erfordert
eine Gasinjektion große
Gasvolumina, komplizierte Feuerfestkonstruktionen und ist nicht
immer eine wirksame Lösung.
Gas kann sich auch im Metall lösen
oder eingeschlossen werden, was Probleme bei der Metallgüte, einschließlich Porenbildung
im Stahl, verursacht. Alternativ oder in Kombination mit einer Gasinjektion
hat der Stand der Technik die Bohrung mit Feuerfestzusammensetzungen
ausgekleidet, von denen behauptet wird, dass sie Aluminiumoxidanbackungen
einen Widerstand entgegensetzen. Die Zusammensetzungen schließen Feuerfestmaterialien
mit niedrigerem Schmelzpunkt ein, wie CaO-MgO-Al2O3-Eutektika, MgO, Calciumzirkonat und Calciumsilicid,
die sich abschälen,
wenn sich Aluminiumoxid auf der Oberfläche ablagert. Diese Zusammensetzungen
neigen dazu, bei hoher Temperatur zu reißen, und während des Gießens können sie
hydratisieren und sich zerstreuen. Aus diesen Gründen ist ihre nutzbare Lebensdauer
begrenzt. Andere Oberflächenzusammensetzungen,
von denen behauptet wird, dass sie eine Aluminiumoxidablagerung
behindern, schließen
Feuerfestmaterialien ein, die SiAlON-Graphit, Metalldiboride, Bornitride,
Aluminiumnitrid und kohlenstofffreie Zusammensetzungen enthalten.
Solche Feuerfestmaterialien können
teuer und unpraktisch sein, und die Herstellung kann sowohl gefährlich und
zeitaufwendig sein.
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Mechanische
Konstruktionen zur Verbesserung der Strömung schließen das U.S. Patent Nr. 5,785,880
an Heaslip et al. ein, das ein Gießrohr mit einer verteilenden
Geometrie lehrt, welche einen Strom von geschmolzenem Metall reibungslos
an eine Form abgibt. Alternative Konstruktionen schließen die
EP
0 765 702 B1 ein, die ein perforiertes Hindernis innerhalb
der Bohrung beschreibt, das den Strom aus einer bevorzugten Bahn
ablenkt. Beide Quellen versuchen, die Zufuhr von geschmolzenem Metall
in eine Form zu steuern, indem sie den Strom von geschmolzenem Metall
mechanisch manipulieren. Keine von beiden beschreibt ein Zusetzen
durch Aluminiumoxid oder die Verminderung des Zusetzens durch Aluminiumoxid.
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Der
Stand der Technik schließt
auch Konstruktionen ein, die behaupten, die Strömung durch Verminderung der
Aluminiumoxidablagerung in der Bohrung zu verbessern. Diese Konstruktionen
schließen
Gießrohre
mit sowohl konischen und "abgestuften" Bohrungen ein. Das
U.S. Patent Nr. 4,566,614 an Frykendahl lehrt eine Inertgas-Injektionsdüse mit einer
konischen Bohrung, die dazu dienen soll, ein "Pulsieren" im Gasstrom zu verringern. Es wird
gesagt, dass ein reibungsloserer Gasstrom in die Bohrung das Zusetzen
vermindert. "Abgestufte" Konstruktionen schließen Gießrohre ein,
die unstetige Veränderungen
im Bohrungsdurchmesser aufweisen. Abgestufte Konstruktionen schließen auch Gießrohre mit
einer Spiralbohrung ein. Die JP Kokai 61-72361 ist ein Beispiel
für abgestufte
Gießrohre und
beschreibt ein Gießrohr,
das eine Bohrung mit mindestens einem konvexen oder konkaven Abschnitt
aufweist, der im geschmolzenen Metall eine turbulente Strömung erzeugt.
Es wird beschrieben, dass eine turbulente Strömung, im Gegensatz zu einer
laminaren Strömung,
ein Anbacken von Aluminiumoxid vermindert. Das U.S. Patent Nr. 5,328,064
an Nanbo et al. lehrt eine Bohrung mit einer Mehrzahl von konkaven
Abschnitten, die durch Stufen mit einem konstanten Durchmesser d
getrennt sind. Jeder Abschnitt weist einen Durchmesser auf, der
größer ist
als d, und vorzugsweise nehmen die Durchmesser der Abschnitte entlang
der Strömungsrichtung
ab. Es wird beschrieben, dass die Stufen Turbulenz erzeugen, die
das Anbacken von Aluminiumoxid vermindert.
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Abgestufte
Konstruktionen aus dem Stand der Technik zeigen eine turbulente
Strömung
nur an einer Stufe oder am Beginn oder Ende eines Abschnitts. Keine
beschreibt eine turbulente Strömung entfernt
von diesen Merkmalen, einschließlich
in der Mitte des Abschnitts. Eine nicht-turbulente Strömung gestattet
es, dass sich Aluminiumoxid auf der Oberfläche der Bohrung ansammelt,
und kann entfernt von der Stufe zum Zusetzen der Bohrung führen.
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Weiter
beschreibt keine Konstruktion aus dem Stand der Technik gleichzeitig
ein Gießrohr,
das einen durch die Bohrung des Gießrohrs hindurchtretenden asymmetrischen
Strom von geschmolzenem Metall reduziert, sowie die Beziehung zwischen
dem reduzierten asymmetrischen Strom und einer Aluminiumoxidanbackung.
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Es
bleibt ein Bedarf für
ein Feuerfest-Gießrohr
bestehen, das eine Aluminiumoxidablagerung entlang der gesamten
Länge der
Bohrung verhindert. Idealerweise würde ein solches Rohr auch den
Strom von geschmolzenem Metall in eine Gießform verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstand und ein Verfahren
zur Verbesserung des Durchflusses eines Stroms von geschmolzenem
Metall und zur Verminderung der Aluminiumoxidablagerung in einer
Bohrung des Gegenstands. In einem breiten Aspekt umfasst der Gegenstand
ein Gießrohr mit
einer Bohrung, die aus einer Reihe von Abschnitten in Fluidverbindung
besteht, von denen jeder konvergiert und divergiert, um den eingeschlossenen Strom
kontinuierlich zu verändern
und zu verteilen bzw. auszubreiten.
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In
einem Aspekt weist das Gießrohr
eine Bohrung auf, die aus einer Reihe von Abschnitten in Fluidverbindung
besteht, wobei jeder Abschnitt einen stark konvergierenden Teil
und einen langsam divergierenden Teil aufweist. Die Kombination
der konvergierenden und divergierenden Elemente kann die Asymmetrie
der Strömung
reduzieren, die Aluminiumoxidablagerung in der Bohrung vermindern
und eine Wellenbildung und Asymmetrie in dem aus der Bohrung austretenden
Strom verhindern. Bei einer Ausführungsform
befindet sich der konvergierende Teil stromaufwärts vom divergierenden Teil.
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Der
konvergierende Teil umfasst eine Stufe, die unter einem spitzen
Winkel gegenüber
der Mittelachse geneigt ist. Der divergierende Teil umfasst eine Länge und
eine innere Oberfläche,
die, in Strömungsrichtung,
unter einem Divergenzwinkel von der Mittelachse weg divergiert,
der beträchtlich
kleiner als der spitze Winkel der geneigten Stufe ist. Der Divergenzwinkel
ist groß genug,
um den Metallstrom zu verteilen bzw. auszubreiten, jedoch ausreichend klein,
um Druckabfälle
oder eine Aufteilung bzw. Aufspaltung des Stroms zu verhindern.
Jeder Abschnitt weist eine Einlass- und eine Auslassquerschnittsfläche auf.
Von Abschnitt zu Abschnitt können
die Einlass- und Auslassfläche
größer werden,
kleiner werden oder in Strömungsrichtung
verhältnismäßig konstant
bleiben, wodurch die mittlere Geschwindigkeit des eingeschlossenen
Stroms verringert, vergrößert oder
aufrecht erhalten wird, wie für
den aus der Bohrung austretenden Strom gewünscht.
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Bei
einem anderen Aspekt der Erfindung weist das Gießrohr eine Bohrung auf, die
aus einer Reihe von Abschnitten in Fluidverbindung besteht, wobei
jeder Abschnitt eine scharf konvergierende Einrichtung und eine
langsam divergierende Einrichtung aufweist. Die konvergierende Einrichtung
lenkt den Strom zur Mittelachse der Bohrung hin ab, und die divergierende
Einrichtung lenkt den Strom ohne Aufteilung des Stroms von der Mittelachse
weg. Bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist das Gießrohr
eine Bohrung auf, umfassend eine Reihe von kegelstumpfförmigen Abschnitten
in Fluidverbindung mit einer konvergierenden Einrichtung zwischen
jedem Abschnitt.
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Das
Verfahren der Erfindung weist ein Gießrohr mit einer Bohrung auf,
die eine Reihe von Abschnitten in Fluidverbindung umfasst, und schließt ein:
Zusammenführen
des Stroms von geschmolzenem Metall am Einlass von jedem Abschnitt
und Auseinanderführen
des Stroms ohne Aufteilung entlang der Länge des Abschnitts.
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Andere
Einzelheiten, Ziele und Vorteile der Erfindung werden ersichtlich,
während
mit der nachfolgenden Beschreibung eines augenblicklich bevorzugten
Verfahrens zur Durchführung
der Erfindung fortgefahren wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt ein Gießrohr der
gegenwärtigen Erfindung.
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2 zeigt einen einzelnen
Abschnitt des Gießrohrs.
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3a und 3b zeigen einen ersten und zweiten Divergenzwinkel
in einem Gießrohr
mit Plansymmetrie.
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4 zeigt ein abgestuftes
Gießrohr
aus dem Stand der Technik.
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5a und 5b zeigen turbulente Strömungsmuster
in einem abgestuften Gießrohr
aus dem Stand der Technik bzw. im Gießrohr der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung umfasst ein Gießrohr
mit einer Durchflussbohrung zur Verwendung beim Stranggießen von
geschmolzenem Metall. Ein Gießrohr schließt Ummantelungen
(shrouds), Düsen
(nozzles) und andere Feuerfestteile ein, um einen Strom von geschmolzenem
Metall einzuschließen,
einschließlich,
zum Beispiel, Tauchummantelungen (submerged entry shrouds) und Tauchdüsen (submerged
entry nozzles), innere Düsen
(inner nozzles) und Tauchrohrdüsen
(well-block nozzles). Der Strom gelangt aus einer stromaufwärtigen Position
durch die Bohrung in eine stromabwärtige Position. Die Bohrung umfasst
eine Mehrzahl von Abschnitten in Fluidverbindung. Die Abschnitte
sind zumeist in Reihe aneinandergefügt, so dass der Strom aus einem stromaufwärtigen Abschnitt
in einen ersten stromabwärtigen Abschnitt
und wahlweise in einen zweiten und anschließende stromabwärtige Abschnitt(e)
gelangt.
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Wie
in 1 dargestellt, weist
das Gießrohr (1)
eine Längsachse
(2) auf, die sich von einer stromaufwärtigen Position (3)
aus bis zu einer stromabwärtigen
Position (4) erstreckt. Die innere Oberfläche (5) des
Gießrohrs
(1) begrenzt eine Durchflussbohrung (6) entlang
der Längsmittelachse
(2). Die Bohrung (6) ist in eine Mehrzahl von
Abschnitten (7a–d)
unterteilt, die in einer Reihe in Fluidverbindung stehen. Die Anzahl
von Abschnitten (7) kann sich in Abhängigkeit von den speziellen
Gießbedingungen ändern. Gewöhnlich wird
das Rohr (1) auch ein Eintrittssegment (8) und
ein Austrittssegment (9) besitzen.
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Wie
in 2 dargestellt, weist
jeder Abschnitt (7) einen Einlass (11) mit einer
Verengung (11a), einen Auslass (12), eine divergierende
Länge (13)
zwischen der Verengung (11a) und dem Auslass (12),
sowie eine scharf konvergierende Stufe (14) zwischen dem
Einlass (11) und der Verengung (11a) auf. Der
Einlass besitzt eine Einlassquerschnittsfläche, die Verengung besitzt
eine Verengungsquerschnittsfläche
und der Auslass besitzt eine Auslassquerschnittsfläche. Die
scharf konvergierende Stufe (14) ist durch einen Neigungswinkel
(16) von der Achse (2) und eine Breite (15)
senkrecht zur Achse (2) definiert. Entlang der Länge (13)
des Abschnitts divergiert die innere Oberfläche (5) unter einem
Divergenzwinkel (17) von der Achse (2).
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Die
Anzahl von Abschnitten in Fluidverbindung kann sich in Abhängigkeit
von der Größe des Gießrohrs ändern, und
die Abschnitte können
unterschiedliche Geometrien und Abmessungen aufweisen. Die Abschnitte
brauchen nicht die gesamte Länge
der Bohrung einzunehmen, jedoch werden die Abschnitte vorzugsweise
einen Großteil
der Bohrung umfassen. Zum Beispiel weist ein Gießrohr, das eine Tauchummantelung
umfasst, typischerweise 2 bis 6 Abschnitte plus ein Eintrittssegment
und ein Austrittssegment auf. Jeder Abschnitt umfasst einen scharf konvergierenden
Teil und einen langsam divergierenden Teil, und vorzugsweise wird
sich der konvergierende Teil stromaufwärts vom divergierenden Teil
befinden. Ein erster Abschnitt wird einen konvergierenden Teil stromaufwärts vom
divergierenden Teil aufweisen, um den Strom zur Mittelachse der
Bohrung hin zu lenken. Typischerweise wird der erste Abschnitt unmittelbar
auf ein Eintrittssegment folgen.
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Ein
scharf konvergierender Teil wird den Strom von geschmolzenem Metall
zur Mittelachse der Bohrung hin lenken und umfasst eine Stufe, die durch
einen Neigungswinkel und eine Breite senkrecht zur Längsachse
definiert ist. Das Zentrieren des Stroms trägt dazu bei, einen stärker symmetrischen Strom
von geschmolzenem Metall zu erzeugen, der aus dem Rohr austritt.
Der Neigungswinkel ist der Winkel zwischen der Längsachse und der Schräge der Stufe.
Der Neigungswinkel kann im Bereich von 35 bis 90 Grad liegen, mit
typischen Werten im Bereich von 60 bis 90 Grad. Der Grad, in dem
der Strom zur Mitte hin gelenkt wird, steht in Beziehung mit einer
Größenordnung
der Konvergenz, die das Verhältnis
der Breiten- bzw.
Weitenquerschnittsfläche
zur Einlassquerschnittsfläche
ist. Die Breiten- bzw. Weitenquerschnittsfläche ist gleich der Differenz
zwischen der Einlassquerschnittsfläche eines Abschnitts und seiner
Verengungsquerschnittsfläche.
Brauchbare Werte für
die Größenordnung
des Konvergenzverhältnisses
reichen von 15% bis 60%, mit typischen Werten von 20% bis 40%.
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Ein
langsam divergierender Teil verteilt den Strom von geschmolzenem
Metall und bringt eine Ausbreitungskomponente in den Strom ein.
Vorzugsweise sollte die Verteilung bzw. Ausbreitung ohne eine Aufteilung
oder Kavitation des Stroms stattfinden. Beide können zu einem Druckabfall führen, der eine
Aluminiumoxidablagerung oder ein Verstopfen erleichtert. Typischerweise
bewirkt die Verteilung bzw. Diffusion, dass die mittlere Geschwindigkeit
des Stroms zwischen dem Einlass und dem Auslass eines Abschnitts
abnimmt. Eine Abnahme der mittleren Geschwindigkeit entspricht einer
Zunahme des mittleren Drucks und einer wahrscheinlichen Verminderung
der Aluminiumoxidablagerung. Die Verteilung kann zum Beispiel erreicht
werden, indem man die Auslassquerschnittsfläche größer als die Einlassquerschnittsfläche macht,
obwohl diese Beziehung zwischen der Auslass- und Einlassquerschnittsfläche kein
strenges Erfordernis ist, da eine Verteilung erreicht wird, indem
man eine Auslassquerschnittsfläche
vorsieht, die größer als
die Verengungsquerschnittsfläche
ist. Hochgradig asymmetrische eintretende Ströme werden sich zum Beispiel
wahrscheinlich ungeachtet der Querschnittsflächen des Einlasses und des
Auslasses verteilen. Die Kombination der einschnürenden und divergierenden Elemente
eines Abschnitts erhöht
die Verteilungs- bzw. Diffusionsgeschwindigkeit, was die Strömungssymmetrie verbessert,
während
gleichzeitig die Neigung zum Zusetzen vermindert wird.
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Der
divergierende Teil ist gewöhnlich
symmetrisch um die Längsmittelachse,
was zu einer kreisförmigen
Querschnittsfläche
und einer kegelstumpfförmigen
Bohrungsgeometrie führt.
Bei Bedarf kann der divergierende Teil auch eine elliptische Querschnittsfläche besitzen.
Alternativ kann der divergierende Teil auf andere Weise symmetrisch
sein, einschließlich
zum Beispiel plansymmetrisch oder gar asymmetrisch. Plansymmetrie,
das heißt
ein im Wesentlichen rechteckiger Querschnitt, ist besonders wirksam
bei Dünnbrammen-
oder Dünnbandstahl-Gießvorgängen.
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Der
divergierende Teil umfasst eine Länge und einen Divergenzwinkel.
Die Länge
des divergierenden Teils steht im Allgemeinen in Beziehung zum Divergenzwinkel
und der Breite des konvergierenden Teils. Typischerweise ist die
Länge ungefähr gleich der
Breite dividiert durch den Tangens des mittleren Divergenzwinkels.
Der Divergenzwinkel ist der Winkel, der zwischen der Längsachse
und der Tangente zur inneren Oberfläche der Bohrung gebildet wird. Der
Divergenzwinkel sollte klein genug sein, um eine Aufteilung bzw.
Aufspaltung zu verhindern, jedoch groß genug, um eine Verteilung
bzw. Diffusion zu gestatten. Der Winkel wird von der Geometrie der
Bohrung abhängen.
Zum Beispiel sollte bei einem kegelstumpfförmigen divergierenden Teil
der Divergenzwinkel beträchtlich
kleiner als der Neigungswinkel der konvergierenden Stufe sein und
typischerweise weniger als 4 Grad betragen. Andere Geometrien können eine
Mehrzahl von Divergenzwinkeln besitzen. Zum Beispiel, wie in 3a und 3b dargestellt, kann ein rechteckiger
divergierender Teil einen ersten Divergenzwinkel (17a)
entlang einer ersten Seite (31) und einen zweiten Divergenzwinkel
(17b) entlang einer zweiten Seite (32) aufweisen.
Der erste und zweite Divergenzwinkel können gleich sein, oder nicht.
Bei einer anderen Ausführungsform
kann der divergierende Teil einen kontinuierlich veränderlichen Divergenzwinkel
aufweisen, zum Beispiel wenn der divergierende Teil trompetenförmig ist.
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In 4 ist ein Gießrohr aus
dem Stand der Technik dargestellt. Das Rohr (41) umfasst
eine Bohrung (42) mit einer Reihe von Abschnitten (43a–d)
in Fluidverbindung, die durch Stufen (44) getrennt sind. 5a zeigt die Strömungsumrisse
(51) und die Turbulenz (52) des Rohrs aus dem
Stand der Technik. Die Turbulenz in der Nachbarschaft der Seiten
der Bohrung ist auf den Bereich unmittelbar vor und hinter den Stufen
begrenzt. Im Gegensatz dazu zeigt 5b Strömungsumrisse
(51) in einem Gießrohr mit
kegelstumpfförmigen
Abschnitten. In jedem Abschnitt wird die Strömung kontinuierlich verändert, was
die gesamte Strömungssymmetrie
und Strömungsstabilität verbessert,
während
Turbulenz (52) in der Nachbarschaft der Wände der
Bohrung vor und hinter den konvergierenden Teilen (53)
und durchweg durch die divergierenden Teile (54) hindurch
erzeugt wird.
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Ersichtlich
sind zahlreiche Abwandlungen und Veränderungen der vorliegenden
Erfindung möglich.
Es versteht sich daher, dass die Erfindung innerhalb des Umfangs
der nachfolgenden Ansprüche
anders als speziell beschrieben ausgeführt werden kann.