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Die
Erfindung betrifft eine längliche
Stopfeneinrichtung zur Steuerung einer ausfließenden Metallschmelze, zum
Beispiel zur Steuerung der Strömung
einer Metallschmelze aus einem metallurgischen Gefäß wie einem
Tundish.
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Im
Bereich des Stahlgusses ist es bekannt, einteilige feuerfeste Stopfenkörper einzusetzen,
die mit Hilfe eines Hebemechanismus vertikal verstellt werden, um
die Querschnittsfläche
einer Auslauföffnung
des korrespondierenden metallurgischen Gefäßes zu verändern.
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Diese
Stopfenstangen sind auch benutzt worden, um ein Inertgas, wie Argon,
in eine Metallschmelze einzuleiten, und zwar um nicht metallische Einschlüsse aus
der Metallschmelze zu beseitigen.
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In
allen Fällen
muss die Stopfeneinrichtung über
Stunden hinweg eingetaucht in eine Metallschmelze aushalten. Sie
muss auch in der Lage sein, dem Thermoschock zu Gießbeginn
zu widerstehen und ebenso auf die Einrichtung einwirkenden mechanischen
Kräften.
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Es
hat deshalb zahlreiche Versuche gegeben, die mechanischen und thermischen
Eigenschaften einer solchen Stopfeneinrichtung und das Betriebsverhalten
zu verbessern.
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Die
EP 0 358 535 B2 offenbart
eine einteilige feuerfeste Stopfenstange, die einem Hebemechanismus
zugeordnet ist, und die einen länglichen
Stopfenkörper
aus Feuerfestmaterial umfasst, der mit einem Bohrloch ausgebildet
ist, welches eine Längsachse
aufweist und sich von einer oberen Oberfläche des Körpers abwärts erstreckt. Innerhalb dieser
axialen Bohrung ist eine Metallhülse
eingebaut, um einen Gewindeteil einer Metallstange drehbar aufzunehmen,
die in den feuerfesten Körper
zur Befestigung an einem korrespondierenden Hebemechanismus eingeführt ist.
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Ein
Problem mit einer solchen Einrichtung ist die Verankerung der besagten
Metallhülse
im Feuerfestmaterial des Körpers
und die Forderung, Differenzialspannungen zwischen dem keramischen
Körper und
dem metallischen Hülseneinsatz
zu vermeiden, die zu einem Bruch des Keramikmaterials im Betrieb führen können.
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Gemäß
DE 198 23 990 C2 wird
eine Stopfeneinrichtung beschrieben, bei der der obere Teil des Bohrlochs
einen keramischen Einsatz aufweist. Dieser Einsatz besitzt ein Innengewinde,
welches mit dem Außengewinde
einer korrespondierenden Metallstange korrespondiert, die in dem
Einsatz drehfest fixiert ist, nach Einsetzen der Stange in den Gewindeeinsatz.
Während
die Verwendung von zwei keramischen Materialien das Risiko von Differenzialspannungen
zwischen dem Körpermaterial
und dem Halteeinsatz reduziert, verbleiben Probleme aufgrund der
Schwierigkeit, eine exakte Gewindeform in dem hochfesten Keramikmaterial
zu akzeptablen Kosten auszubilden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, eine längliche Stopfeneinrichtung
zur Fließkontrolle
einer Metallschmelze aus einem Gefäß, das eine Metallschmelze
enthält,
bereitzustellen, die leicht herzustellen ist und einfache Befestigungsmittel
bereitstellt, um sie mit einem zugehörigen Metallstab in einem zugehörigen feuerfesten
keramischen Körper
zu verbinden (festzulegen).
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Es
wurde jetzt gefunden, dass eine solche Befestigung des Metallstabes
in einem korrespondierenden Bohrloch des feuerfesten keramischen
Körpers
mit deutlich einfacheren Mitteln als einer zylindrischen Metallhülse oder
einem länglichen
zylindrischen keramischen Einsatz erreicht werden kann, nämlich mit
mindestens einem Anker, beispielsweise einem blattähnlichen
Teil aus einem unterschiedlichen Material (verglichen mit dem Material
des Körpers),
wobei dieser Anker im Körper
zwischen der oberen Stirnfläche
des Körpers
und einem unteren Ende der korrespondierenden Bohrung befestigt
ist und radial mit seinen Hauptoberflächen, die im Wesentlichen senkrecht
zur Längsachse
des Bohrlochs verlaufen, im oberen Teil des Körpers in das Bohrloch vorstehen.
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Im
Gegensatz zu Konstruktionen gemäß Stand
der Technik, die Befestigungsmittel für die Metallstange offenbaren,
die sich alle über
eine signifikante Länge
in Richtung der Längsachse
des länglichen
feuerfesten Körpers
erstrecken, schlägt
die Erfindung Befestigungsmittel vor, die im Wesentlichen senkrecht
zur Längsachse
des Körpers
und/oder des Bohrlochs angeordnet sind, und zwar an einer spezifischen
Stelle entlang der Längserstreckung
der Bohrung in dem Körper.
Entsprechend sind diese Befestigungsmittel deutlich kleiner als
eine Hülse,
das heißt
es wird sehr viel weniger unterschiedliches Material in den keramischen
Körper
eingebracht und es können deutlich
geringere thermische und mechanische Spannungen zwischen den Befestigungsmitteln (dem
Anker) und dem keramischen Körper
erwartet werden.
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In
anderen Worten: der Anker wird in einer spezifischen Höhe der länglichen
Stopfeneinrichtung im Abstand zu deren oberer Stirnfläche angeordnet und
im Abstand zu ihrem unteren Ende. Typischerweise wird der Anker
an einer Stelle angeordnet, die 10 bis 40 % der Gesamtlänge der
Stopfeneinrichtung beträgt,
gerechnet vom oberen Ende des feuerfesten Körpers, wobei dies 5 bis 25
cm sein können,
typischerweise ungefähr
10 cm vom oberen Ende.
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Solch
ein im Wesentlichen radial ausgerichtetes Befestigungsmittel weist
ersichtlich eine deutlich verringerte axiale Länge gegenüber einem Einsatz oder einer
Hülse auf,
die sich in Richtung der Längsachse
des Stopfens erstrecken. In den keramischen Körper generierte mechanische
Spannungen durch thermische Ausdehnungseffekte in Längsrichtung,
die von den im Wesentlichen radialen Befestigungsmitteln ausgehen,
sind deshalb deutlich geringer im Vergleich mit Konstruktionen nach
dem Stand der Technik.
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Darüber hinaus
können
die Befestigungsmittel sehr viel einfacher im feuerfesten keramischen Umgebungsmaterial
(Material des feuerfesten Körpers)
befestigt werden, beispielsweise beim isostatischen Pressen der
Stopfeneinrichtung.
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Die
Herstellung kann wie folgt erfolgen: Der (die) vorgenannte(n) Anker,
beispielsweise (ein) blattähnliche(s)
Teil(e), wird (werden) mit ihrem Endabschnitt in korrespondierende
Schlitze eines zugehörigen
Formkerns (Dorns) eingesetzt. Eine äußere Gummiform wird über den
Dorn gestülpt
und ein feuerfestes keramisches Material wird in den zylindrischen
Raum zwischen Dorn und Form (Matrize) eingefüllt. Danach wird die das feuerfeste
Material enthaltende Form, einschließlich der Befestigungsmittel, isostatisch
gepresst.
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Die äußere Form
wird dann abgenommen und der Dorn, der aus mindestens zwei in Längsrichtung
verlaufenden Teilen besteht, wird vom gepressten Teil abgenommen,
wobei der (die) äußere(n) Teil(e)
des (der) Anker(s) (blattähnliche
Teile) sicher im keramischen Körper
eingebettet sind, während ihre
innere(n) Extremität
(Extremitäten)
in vorbestimmter Position (vorbestimmten Positionen) in die keramische
Bohrung vorstehen.
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Während dieser
Herstellung kann auch ein Dichtungsteil in der Form angeordnet werden,
wie nachstehend beschrieben wird.
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In
ihrer allgemeinsten Ausführungsform
betrifft die Erfindung eine längliche
Stopfeneinrichtung zur Fließkontrolle
von Metallschmelze aus einem Gefäß, welches
eine Metallschmelze enthält,
wobei die Einrichtung Folgendes umfasst:
- – einen
Körper
aus feuerfestem keramischen Material,
- – ein
Bohrloch mit einer Längsachse,
das sich von einer oberen Oberfläche
des Körpers
abwärts
erstreckt,
- – das
Bohrloch ist entlang seiner Länge
mit mindestens einem Anker aus einem unterschiedlichen Material
ausgerüstet,
der im Körper
zwischen der oberen Oberfläche
des Körpers
und einem unteren Ende des Bohrlochs befestigt ist und radial in
das Bohrloch mit seinen Hauptoberflächen, die im Wesentlichen senkrecht
zur Längserstreckung
des Bohrlochs verlaufen, vorsteht,
- – der
Anker ist zur Aufnahme und Fixierung eines Gewindeendes eines Metallstabes,
der in das Bohrloch eingeführt
wird, ausgebildet.
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Nach
einer Ausführungsform
hat der Metallstab an seinem Einführende mindestens teilweise
einen Gewindeabschnitt. Dieser Gewindeabschnitt dient zusammen mit
dem Anker (dem Befestigungsmittel) zur Befestigung der Metallstange
im Bohrloch des feuerfesten Körpers.
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Zur
Befestigung reicht es grundsätzlich
aus, lediglich einen Anker bereitzustellen, beispielsweise ein blatt-/scheibenartiges
Teil, welches radial in das Bohrloch vorsteht. Während der Stab in das Bohrloch eingeführt wird,
wird der Gewindeabschnitt der Stange entlang dieses Befestigungsteils
laufen und die nötige
Befestigung des Stabes im Körper
sicherstellen.
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Es
ist ersichtlich, dass diese Befestigungs(Verankerungs)mittel am
besten eine bestimmte Umfangslänge
aufweisen sollten. Sie können
sich über
20 bis ≤ 360° der inneren
Bohrlochwand oder auch ein bisschen darüber hinaus erstrecken.
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Speziell
dann, wenn sie sich über
mehr als 20° erstrecken,
ist es vorteilhaft, den blattähnlichen Teil
mit einer bestimmten Neigung (einem Neigungsgradienten oder Schrägfläche) in
Bezug auf die Längsachse
des Bohrlochs auszubilden, wenngleich dies nicht notwendig ist,
um die gewünschte
Verriegelung zu erreichen.
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Das
ist insbesondere dann der Fall, wenn der Anker (das blattähnliche
Teil) mehr oder weniger eine Ringform aufweist, das heißt sich
in Umfangsrichtung der inneren Bohrlochwand über mehr als 180° erstreckt,
speziell mehr als 270° und
er muss schräg verlaufen,
wenn dieser Teil eine Länge
von mehr als 360° aufweist.
Ein Sprengring-Design ist eine weitere Möglichkeit.
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Während der
Anker als Ring gestaltet sein kann, beispielsweise mit einer Umfangslänge zwischen
270° und ≤ 360° oder bis
zu 450° oder
300° bis 400° ist es auch
möglich,
die Befestigungsmittel aus mindestens zwei Ankern zu bilden, wobei
jeder nach Art eines Ringabschnitts gestaltet ist und mit Abstand zu
dem anderen entlang einer imaginären
Schraubenlinie angeordnet wird. Eine weitere Ausführungsform
sieht Befestigungsmittel aus drei Ankern vor, jeder in Form eines
Ringabschnitts und mit gleichen Abständen zueinander entlang einer
imaginären Schraubenlinie.
Sogar zwei oder drei radial angeordnete Stifte, die im Abstand zueinander
angeordnet sind, können
die notwendigen Ankermittel zur Sicherung und Halterung des Stabes
im Körper
bilden. Der Anker (die Anker) kann (können) auch entlang einer Ebene
angeordnet werden, die senkrecht zur Längsachse des Stabes verläuft.
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Aus
den vorstehenden Erklärungen
wird klar, dass ein einteiliges Befestigungsmittel der beste Weg für eine einfache
Produktion der Stopfeneinrichtung ist.
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Die
Befestigungsmittel können
aus jedem Material hergestellt werden, welches zum Material des
feuerfesten Körpers
unterschiedlich und stark genug ist, um den Gewindeteil des zugehörigen Metallstabes
drehend aufzunehmen. Zum Beispiel können die Fixiermittel (Befestigungsmittel)
aus Metall oder Spezialkeramiken wie Siliciumnitrid, Zirkondioxid
oder Aluminiumoxid hergestellt werden.
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Wie
vorstehend erläutert
kann ein Dichtungsmittel entlang des Bohrloches und am besten in der
Nähe der
Befestigungsmittel vorgesehen werden.
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Dadurch
wird die Dichtigkeit zwischen dem keramischen Körper und der Metallstange verbessert,
insbesondere in Fällen,
bei denen die Stopfenstange zur Zuführung eines Gases in eine metallurgische
Schmelze benutzt wird.
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Ein
zugehöriges
Dichtungsteil (eine Dichtung) kann auf einer korrespondierenden
ringförmigen
Dichtfläche
angeordnet werden, die in bestimmter Höhe entlang des Bohrlochs vorgesehen
wird. Eine solche Konstruktion wird in der
EP 1 135 227 B1 näher beschrieben.
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Diese
Dichtungsmittel können
auch entlang einer Umfangswand des Bohrloches über oder unter den Befestigungsmitteln
vorgesehen werden und sich radial in das Bohrloch erstrecken und
in Längsrichtung über eine
bestimmte Länge
des Bohrlochs und ferner so ausgestaltet sein, dass sie den Stab drehend
aufnehmen.
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Soweit
in der Beschreibung von „über", „oben/oberes", „unter/unteres", „unterhalb" etc. gesprochen
wird, bezieht sich dies auf die typische Benutzung einer solchen
Stopfenstange, die im Wesentlichen vertikal verläuft.
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Wie
vorstehend ausgeführt
wird ein scheibenähnlicher
Teil zur Befestigung einer korrespondierenden Stange an einer definierten
Längsposition des
Körpers
angeordnet. Entsprechend wird sich das Außengewinde des Stabes, wenn
dieser eingeführt wird, über die
Befestigungsmittel hinaus erstrecken. Dieser vorstehende Teil des
Gewindeabschnittes wird nun zur Bereitstellung einer effektiven
Dichtung benutzt, weil er in die Dichtung hineingequetscht wird.
Das Material der Dichtung, welches hohen Temperaturen standhält, drückt sich
in die Gewindegänge und
führt zu
einer sehr effektiven Dichtung und Dichtheit über die korrespondierenden
Abschnitte von Dichtung und Stab.
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Dieses
Dichtungsteil kann eine Zylinderform haben. Es sollte in das Bohrloch
hineinragen.
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Der
Teil des Bohrlochs, der das Dichtungsteil aufnimmt, kann konisch
gestaltet sein, wobei das schmalere Ende unten liegt.
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Der
Stab kann dann eine geringere Breite an seinem dem Dichtungsteil
benachbarten Abschnitt verglichen mit dem darüber liegenden Abschnitt aufweisen.
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Der
Dichtungsteil kann aus jedem Material hergestellt sein, das den
hohen Temperaturen, wie sie bei der Benutzung der Stopfeneinrichtung
auftreten, standhält.
Graphit ist eines dieser Materialien. Ein mögliches Material ist verdichteter
Graphit mit einer Reinheit über
95 Gew.-% Kohlenstoff und einer Dichte von ungefähr 1,4 g/cm3.
Die Dichtung kann die Form eines vorgeformten Teils aufweisen, welches entweder
in den Stopfenkörper
unmittelbar vor dem Einbau des Stahlstabes eingesetzt wird oder
gleichzeitig mit dem keramischen Körper der Stopfenstange während des
Herstellungsprozesses ausgeformt wird.
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Alternativ
kann die Dichtung während
des Herstellungsprozesses des Stopfens durch Verdichtung eines Graphitelementes
erfolgen, welches entweder schuppenartiges Graphitpulver oder eine
Spule einer Graphitfolie umfasst, das um ein Formwerkzeug (eine
Form) angeordnet und dann von dem Material des keramischen Körpers des
Stopfens während
des Füllprozesses
der Form umgeben wird.
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Aus
der vorstehenden Beschreibung dürfte klar
geworden sein, dass dann, falls die Stopfeneinrichtung zur Zuführung von
Gas benutzt wird, die zugehörige
Stange mit einer axialen Bohrung ausgebildet wird, durch die das
Gas zugeführt
wird. Das korrespondierende Bohrloch des Körpers wird dann mit mindestens
einer Öffnung
am unteren Ende ausgebildet.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
den übrigen
Anmeldungsunterlagen.
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Die
Erfindung wird nachstehend in Hinblick auf ein Ausführungsbeispiel
näher erläutert, welches in
keiner Weise den Schutzumfang der beanspruchten Stopfeneinrichtung
begrenzt.
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Die
einzige Figur zeigt schematisch einen oberen Teil einer Stopfeneinrichtung
in einem teilweisen Längsquerschnitt.
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Die
Stopfeneinrichtung umfasst einen länglichen feuerfesten Körper 10 mit
einem mittleren Bohrloch 12, das koaxial zum Körper 10 verläuft und
so ausgebildet ist, um einen Metallstab 14 ortsfest aufzunehmen,
zur Befestigung an einer (nicht dargestellten) Hebeeinrichtung.
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Das
Bohrloch 12 weist eine mehr oder weniger zylindrische Form
auf und verläuft
von einer oberen Oberfläche 10u des
Körpers 10 abwärts (Pfeil
D) und endet in einer (nicht dargestellten) Öffnung am unteren Ende des
Körpers 10.
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In
einem Abstand d von der oberen Oberfläche 10u ist ein blattförmiger Metallring 16 in
das Feuerfestmaterial des Körpers 10 integriert.
Dieser Ring steht radial in das Bohrloch 12 vor. Hauptoberflächen (obere
Oberfläche 16u;
untere Oberfläche 16l)
verlaufen im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse A des Bohrlochs 12.
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In
der Figur ist der flache Ring 16 so angeordnet, dass ein
Winkel α von
ca. 3° zur
Horizontalen (senkrecht zur Längsachse
A) ausgebildet wird. Dieser Winkel kann angepasst werden, um der
Gewindesteigung eines Gewindes auf der Metallstange 14 zu
entsprechen. Der Ring 16 ist nicht geschlossen, sondern
geschlitzt und umfasst einen Winkel von ungefähr 330°. Die freien Enden des Rings
sind in Längsrichtung
des Bohrlochs 12 versetzt.
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Dieser
blattförmige/scheibenförmige Ring 16,
der als Befestigungsmittel für
den Stab 14 dient, welcher nachstehend näher beschrieben
wird, wurde mit dem Körper 10 co-gepresst.
Er ragt in das Bohrloch 12 über eine gewisse Strecke vor
(hinein), um so ein äußeres Gewinde 14t (durch
Punkte symbolisiert) eines unteren Abschnitts 14l der Metallstange 14 drehbar
aufzunehmen, wobei der Stab 14 eine mittlere, längliche
Durchgangsöffnung 14c (durch
Linien symbolisiert) aufweisen kann.
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Während des
Zusammenbaus wird die Metallstange 14 in das Bohrloch 12 eingeführt, dabei
gedreht, so dass das Außengewinde 14t des
Stabes 14 mit dem vorstehenden Abschnitt 16p des
Rings 16 in Eingriff gelangt.
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Der
Stab 14 wird dann weiter in das Bohrloch 12 hineingeführt (abwärts, Pfeil
D) und erreicht dann eine zylindrische Graphitdichtung 18,
die über
eine Länge
L vor der Innenwand 12w des Bohrlochs 12 verläuft.
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Während dieser
fortgesetzten Einführung des
Stabes 14 in das Bohrloch 12 wird das Dichtungsmaterial
in Räume
des Gewindes 14t gepresst, wodurch eine hervorragende Dichtung
zwischen Körper 10 und
Stab 14 über
die gesamte Länge
L erzielt wird.
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Entsprechend
der Figur ist ein Endabschnitt des Stabes 14 im Bohrloch 12 durch
einen kleinen Überstand
des Gewindeendes 14e über
das Ende des Dichtungsteils 18 charakterisiert. Alternativ
könnte
der Gewindestab mit der Länge
des Dichtungselements enden.
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Die
obere Stirnfläche 10u des
Körpers 10 liegt
gegen Sperrmittel 20, 22 an, die fest auf dem Metallstab 14 befestigt
sind, so dass der Stab 14 sich nicht entgegen Pfeilrichtung
D verlängern
kann. Die Blockiermittel 20, 22 haben die Form
einer Mutter und sind mit Innengewinden ausgebildet, entsprechend
dem Gewinde 14t des Stabes 14.
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Die
begrenzte Größe des scheibenförmigen Befestigungsmittels
(Sprengring 16) und seine weitestgehend horizontale (radiale)
Anordnung in Bezug auf die längliche
Stopfenform garantiert eine sichere Befestigung des Stabes 14 im
Bohrloch 12 auch dann, wenn bei hoher thermischer Last
die metallischen Befestigungsmittel und der metallische Stab in Radialrichtung
gleichmäßig expandieren,
bei geringer oder keiner Differenzialausdehnung in Axialrichtung.
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Zusammen
mit der nach unten folgenden Dichtung führt die beschriebene Form zu
einer verbesserten Stopfeneinrichtung, die für unterschiedliche Zwecke eingesetzt
werden kann, zum Beispiel zur Zuführung von Gas entlang des Kanals 14c und des
Bohrlochs 12 in eine Metallschmelze. Der innige Kontakt
zwischen der Dichtung 18 und dem Außengewinde 14t des
Stabes 14 ist außerdem
für die
radiale Pressung des Dichtungselementes und die verbesserte Dichtheit
der Einrichtung verantwortlich. Die Expansion der Metallstange bei
Servicetemperatur dient zur weiteren Erhöhung der Dichtungseffizienz bei
gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Druckkräfte auf die Dichtung.
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In
Längsrichtung
sollten die Befestigungsmittel so klein wie möglich sein. Sie können eine „Dicke" von ≤ 5 mm, ≤ 3 mm, ≤ 2 mm oder
sogar ≤ 1
mm haben, während
die „Länge" (L) des Dichtungsmittels ≥ 10 mm, ≥ 20 mm, ≥ 30 mm oder ≥ 40 mm sein
sollte.
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Die
Erfindung schließt
Ausführungsformen mit
zwei oder mehr Befestigungsmitteln in unterschiedlichen Positionen
entlang der Längsachse
der länglichen
Stopfenstange ein, das heißt,
die entsprechenden Befestigungsmittel haben einen Abstand zueinander
(in Längsrichtung
des Bohrloches). Dieser Abstand kann in der Größenordnung von wenigen cm oder
mehr liegen. Diese unterschiedlichen Befestigungsmittel können mit
einem oder mehreren Außengewinden
des Metallstabes zusammenwirken.