DE602004001980T2

DE602004001980T2 - Düse mit untergetauchtem einlass und dynamischer stabilisierung

Info

Publication number: DE602004001980T2
Application number: DE602004001980T
Authority: DE
Inventors: Dong Mississauga XU; Lawrence Burlington HEASLIP; Johan Dundas RICHAUD; James Burlington DORRICOTT
Original assignee: Vesuvius Crucible Co
Current assignee: Vesuvius Crucible Co
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: JP2006520694A; ES2267057T3; RU2331496C2; BRPI0408340A; CA2519050A1; EP1603697A1; US20060169728A1; DE602004001980D1; RU2005130062A; MXPA05009852A; CN1761543A; AU2004221863B2; ZA200507285B; AU2004221863A1; UA85179C2; WO2004082871A1; CN100346909C; KR20050113230A; ATE336319T1; EP1603697B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein einen Feuerfestgegenstand und insbesondere ein Feuerfestgießrohr zur Verwendung beim Überführen von geschmolzenem Metall bei einem Stranggießvorgang.
HINTERGRUND
Beim Stranggießen von Metall, insbesondere Stahl, wird ein Strom von geschmolzenem Metall typischerweise durch ein Feuerfestgießrohr aus einem ersten metallurgischen Behälter in einen zweiten metallurgischen Behälter oder in eine Form überführt. Solche Rohre werden gewöhnlich als Ausgüsse oder Umhüllungen bezeichnet und besitzen eine Bohrung, die angepasst ist, um geschmolzenes Metall zu überführen. Gießrohre schließen Tauchausgüsse (Submerged Entry Nozzles (SEN)) oder Tauchumhüllungen (Submerged Entry Shrouds (SES)) ein, die geschmolzenes Metall unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche eines Aufnahmebehälters oder einer Aufnahmeform abgeben.
Flüssiges Metall wird aus dem unteren Ende der Bohrung durch eine oder mehrere Auslassöffnungen abgegeben. Eine wichtige Funktion eines Gießrohrs 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 die Qualität des fertigen Produkts verbessern. Eine zweite wichtige Funktion eines Gießrohrs ist es, die richtigen dynamischen Bedingungen innerhalb des flüssigen Metalls im Aufnahmebehälter oder in der Aufnahmeform herzustellen, um eine Weiterverarbeitung zu erleichtern. Die Erzeugung der richtigen dynamischen Bedingungen kann es erforderlich machen, dass das Gießrohr eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen besitzt, die so angeordnet sind, dass sie bewirken, dass der Strom von geschmolzenem Metall bei der Abgabe aus dem Rohr in eine oder mehrere Richtungen umgebogen wird.
Faktoren, die eine reibungslose und stetige Abgabe stören können, schließen sowohl physikalische und dynamische Bedingungen ein, die zu einem asymmetrischen Strömungsverhalten des geschmolzenen Metalls in der Bohrung und in den Austrittsöffnungen führen. Asymmetrien in der Metallströmungsgeschwindigkeitsverteilung und den Metallströmungsstromlinien können zum Beispiel aus (a) einer ineffektiven Gestaltung der Bohrung und Öffnungen, (b) dem Vorhandensein von stromaufwärtigen Durchflussmengensteuervorrichtungen, und (c) der ungleichförmigen Anbackung von Verstopfungsmaterial innerhalb der Bohrung und den Öffnungen resultieren. Selbst bei Abwesenheit dieser Faktoren kann eine turbulente Strömung in der Bohrung noch immer die Entwicklung von dynamischen Strömungsasymmetrien verursachen. Zum Beispiel kann ein Strom von geschmolzenem Metall, 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 im Vergleich zur entgegengesetzten Seite, oder eine höher Fluidgeschwindigkeit abseits der Mittellinie. Solche ungleichen Geschwindigkeiten können Pulsieren und übermäßige Turbulenz beim Austritt aus der Bohrung verursachen, wodurch die Verarbeitung kompliziert und die Qualität des fertigen Produkts verschlechtert wird. Drosselvorrichtungen, wie Stopfenstangen oder Schieberventile, können den Zutritt zur Bohrung teilweise verschließen und bewirken, dass der Strom von geschmolzenem Metall abseits der Mittellinie in die Bohrung eintritt. Der Strom kann vorzugsweise an einer Seite der Bohrung nach unten fließen und asymmetrisch oder ungleichförmig aus dem Gießrohr austreten, was ein übermäßiges Rückströmen und Turbulenz in einer Form hervorrufen kann. Pulsieren, Rückströmen, Turbulenz und Asymmetrie des abgegebenen Stroms werden durch Öffnungsanordnungen verstärkt, die ein Umbiegen des Stroms bewirken, bevor er aus dem Rohr abgegeben wird. Asymmetrien in dem strömenden Fluss, der sich einer Austrittsöffnung nähert, können eine instabile Drehung und Verwirbelung des umgebogenen Stroms hervorrufen, während er durch Öffnungen abgegeben wird, wodurch eine Instabilität der Abgaberichtung, eine Instabilität des innerhalb des Aufnahmebehälters hervorgerufenen Strömungsmusters und somit unerwünschte dynamische Bedingungen im Aufnahmebehälter verursacht werden.
Ablagerungen oder nicht-metallische Anbackungen können ebenfalls die Bohrung verstopfen oder verengen, so dass eine stetige Abgabe von geschmolzenem Metall aus dem Rohr gestört wird. In geschmolzenem Stahl bestehen Ablagerungen und nicht-metallische Anbackungen in erster Linie aus Aluminiumoxid oder anderen Verunreinigungen mit hohem Schmelzpunkt. Aluminiumoxid-Ablagerungen können zu Verengungen und zum Verstopfen führen, was den reibungslosen und stetigen Strom von flüssigem Stahl unterbrechen oder wesentlich behindern kann. Ein asymmetrischer ungleichförmiger Metallstrom kann zum Vorhandensein von bevorzugten Stellen für Verstopfungsablagerungen führen und kann die Ungleichförmigkeit der Strömung weiter verschlimmern. Verstopfungen von Rohren können unter Verwendung einer Sauerstofflanze beseitigt werden; jedoch stört der Einsatz von Lanzen den Gießprozess, verringert die Feuerfestlebensdauer und verringert den Gießwirkungsgrad und die Qualität des erzeugten Stahls. Eine vollständige oder wesentliche Blockierung der Bohrung durch Ablagerungen verringert die erwartete Lebensdauer des Gießrohrs und ist für Stahlerzeuger sehr teuer und zeitaufwändig.
Frühere Versuche, die Strömung zu verbessern, schließen sowohl chemische und mechanische Mittel ein. Zum Beispiel kann die Strömung verbessert werden, indem man eine Aluminiumoxid-Ablagerung und ein nachfolgendes Verstopfen oder Zusetzen vermindert. Der Stand der Technik hat Gas injiziert, um das Gießrohr unter Druck zu setzen und ein Verstopfen oder Zusetzen durch Aluminiumoxid zu verringern. Unglücklicherweise macht die Gasinjektion große Gasvolumina und komplizierte Feuerfestkonstruktionen erforderlich und ist nicht immer eine effektive Lösung. Gas kann sich auch im Metall lösen oder darin eingeschlossen werden, was Probleme bei der Metallqualität verursacht, einschließlich Pinhole- oder Porositätsfehler im Stahl. Alternativ oder in Kombination mit einer Gasinjektion hat der Stand der Technik die Bohrung mit Feuerfestzusammensetzungen verkleidet, von denen behauptet wird, dass sie einer Aluminiumoxid-Anbackung einen Widerstand entgegensetzen. Diese Zusammensetzungen schließen Feuerfestmaterialien mit niedrigerem Schmelzpunkt ein, wie CaO-MgO-Al₂O₃-Eutektika, 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 dehydratisieren und sich auflösen. Aus diesen Gründen ist ihre Nutzlebensdauer begrenzt. Andere Oberflächenzusammensetzungen, von denen behauptet wird, dass sie eine Aluminiumoxid-Ablagerung verhindern, 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.
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 Verteilungsgeometrie lehrt, welche einen Strom von geschmolzenem Metall reibungslos in 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 Bewegungsbahn ablenkt. Beide Quellen versuchen, die Zufuhr von geschmolzenem Metall in eine Form zu steuern, indem man den Strom von geschmolzenem Metall mechanisch manipuliert. Keine von beiden beschreibt eine Aluminiumoxid-Verstopfung oder die Verringerung einer Aluminiumoxid-Verstopfung.
Der Stand der Technik schließt auch Konstruktionen ein, die behaupten, die Strömung durch Verringerung der Aluminiumoxid-Ablagerung 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 einen Inertgasinjektionsausguss mit einer konischen Bohrung, die dazu dienen soll, "Pulsationen" im Gasstrom zu vermindern. Ein reibungsloserer Gasstrom in die Bohrung soll das Zusetzen verringern. "Abgestufte" Konstruktionen schließen Gießrohre ein, die im Bohrungsdurchmesser unstetige Veränderungen aufweisen. Abgestufte Konstruktionen schließen auch Gießrohre mit einer spiraligen Bohrung 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 eine turbulente Strömung im geschmolzenen Metall erzeugt. Im Gegensatz zu einer laminaren Strömung wird die turbulente Strömung als eine Aluminiumoxid-Verstopfung verringernd beschrieben. Das U.S. Patent Nr. 5,328,064 an Nanbo et al. lehrt eine Bohrung, die eine Mehrzahl von konkaven Abschnitten aufweist, welche durch Stufen mit einem konstanten Durchmesser, d, getrennt sind. Jeder Abschnitt weist einen größeren Durchmesser als d auf, und vorzugsweise nehmen die Durchmesser der Abschnitte entlang der Strömungsrichtung ab. Die Stufen werden als Turbulenz erzeugend beschrieben, die eine Aluminiumoxid-Verstopfung verringert.
Die U.S. 6425505 an Heaslip lehrt ein Gießrohr, umfassend eine Mehrzahl von in Fluidverbindung stehenden Abschnitten, die das Strömen von geschmolzenem Metall durch die Bohrung verbessern. Die Abschnitte verringern ein asymmetrisches Fließen des Stroms von geschmolzenem Metall und die Wahrscheinlichkeit von Ablagerungen, welche die Bohrung verstopfen oder zusetzen.
Jeder Abschnitt umfasst einen konvergierenden Teil und einen divergierenden Teil. Der konvergierende Teil lenkt den Strom zur Mitte der Bohrung hin ab, während der divergierende Teil den Strom verbreitert. Die Kombination von konvergierenden und divergierenden Elementen erzeugt einen mehr symmetrischen Strom im Gießrohr.
Versuche des Standes der Technik, den Strom von geschmolzenem Metall innerhalb der Bohrung zu steuern, haben wenig dazu beigetragen, einen unstetigen Strom aus den Austrittsöffnungen des Gießrohrs zu steuern. Die Austrittsöffnungen rufen im ausfließenden Strom instabile Strömungsmuster hervor. Ein unstetiger Fluss aus dem Gießrohr in eine Form kann Meniskusturbulenz und Wellenbildung vergrößern. Ein solcher Fluss kann auch bewirken, dass der ausfließende Strom in der Form umherwandert und kann das Strömungsmuster in der Form einseitig machen. Weiter kann ein instabiler Ausfluss eine Aluminiumoxid-Verstopfung in den unteren Bereichen des Gießrohrs verursachen, einschließlich im Schachtboden des Rohrs und den unteren Ecken der Öffnungen. Verstopfungen werden typischerweise einen asymmetrischen Ausfluss aus dem Gießrohr verursachen.
Es bleibt ein Bedarf an einem Feuerfestgießrohr, das einen stabilen Ausfluss erzeugt und Meniskusturbulenz, Wellenbildung, asymmetrische Strömungsmuster und Aluminiumoxid-Verstopfung verringert. Idealerweise würde ein solches Rohr auch den Strom von geschmolzenem Metall in eine Gießform verbessern und die Eigenschaften des gegossenen Metalls verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gießrohr zur Verwendung beim Gießen von geschmolzenem Metall. Das Gießrohr enthält mindestens eine Austrittsöffnung und liefert, im Verhältnis zum Stand der Technik, einen stabileren, gleichförmigeren Ausfluss von geschmolzenem Metall durch die und aus der Austrittsöffnung. Ein verbesserter Ausfluss vermindert Meniskusturbulenz und Wellenbildung, verringert Aluminiumoxid-Verstopfung und unterstützt einen symmetrischen Ausfluss. Diese Vorteile können zu einem verbesserten fertigen Produkt führen.
In einem breiten Aspekt umfasst der Gegenstand ein Gießrohr mit einer Austrittsöffnungsgestalt, die eine Strömungsinstabilität verringert, wodurch ein stetigerer Ausfluss erzeugt wird. Diese Gestalt verringert das instabile rückwärts und vorwärts drehende Strömungsmuster, das bei Ausflussströmen aus einem Gießrohr üblich ist. Dieses Strömungsmuster wird als mindestens zum Teil für Form-Strömungsinstabilitäten und schlechte Qualität der Gusserzeugnisse verantwortlich beschrieben.
In einem Aspekt schließt die Erfindung eine Austrittsöffnung ein, welche die Drehung oder das Rotieren des Stroms stabilisiert und kontrolliert, während der Strom durch eine Auslassöffnung hindurchtritt und in die Form abgegeben wird. Einer großräumigen Drehung, wodurch sich der Umfang des rotierenden Stroms an die Breite oder Höhe einer Auslassöffnung annähert, wird entgegengewirkt, und sie wird dadurch verringert. Es wird angenommen, dass eine instabile und unkontrollierte großräumige Drehung der Abgabeströmung ein stärkeres Wandern und eine größere Instabilität des in der Form oder dem Aufnahmebehälter erzeugten Strömungsmusters verursacht. Die Austrittsöffnung enthält eine Mehrzahl von Schlitzen, die gleichbleibende gegenläufige Strömungen im geschmolzenen Metall erzeugen und die einer großräumigen Drehung der Strömung in einer einzigen Richtung oder einer großräumigen Drehung der Strömung, die von einer Richtung in eine entgegengesetzte Richtung pendelt, entgegenwirken. Stabile gegenläufige Strömungen innerhalb des Ausflusses aus dem Rohr sorgen für eine sich mehr ausbreitende, homogenere und weniger turbulente Abgabe von geschmolzenem Metall und sorgen dadurch für ein beständigeres oder gleichbleibenderes Strömungsmuster im Aufnahmebehälter.
Der Ausfluss aus einem Gießrohr kann einen Teil eines oberen Umwälzkreislaufs innerhalb einer Form bilden. Der obere Umwälzkreislauf befindet sich in der Nähe der Oberseite der Form und beeinflusst zum Beispiel Oberflächenwellenbildung und Meniskusturbulenz. Der Ausfluss aus einer Austrittsöffnung der vorliegenden Erfindung kann mehr geschmolzenes Metall zur Oberfläche der Form lenken, ohne eine übermäßige Meniskusturbulenz oder Formpegelschwankungen zu verursachen. Die Wärmeverteilung innerhalb der Form kann ebenfalls verbessert werden. Das gesamte Strömungsmuster innerhalb der Form wird stabiler.
Bei einer Ausführungsform schließt die Austrittsöffnung eine Zunge auf ihrem stromabwärtigen Rand ein. Die Zunge und der stromabwärtige Rand begrenzen Schlitze in den unteren Ecken der Austrittsöffnung. Das Vorhandensein dieser Schlitze wirkt einer großräumigen Drehung der Abgabeströmung entgegen und begünstigt die Bildung von kleinräumigen gegenläufigen Strömungen innerhalb des Ausflusses aus dem Rohr. Eine Austrittsöffnung, die eine Zunge umfasst, verändert die Druck- und Strömungseigenschaften innerhalb einer Austrittsöffnung und innerhalb des Auslassbereichs des Gießrohrs, so dass eine Aluminiumoxid-Verstopfung und eine asymmetrische Strömung verringert wird.
Bei einer zweiten Ausführungsform schließt die Austrittsöffnung eine Zunge auf ihrem stromaufwärtigen Rand ein. Die Zunge und der stromaufwärtige Rand begrenzen Schlitze in den oberen Ecken der Austrittsöffnung. Das Vorhandensein dieser Schlitze wirkt einer großräumigen Drehung der Strömung innerhalb des Ausflusses entgegen. Eine großräumige Drehung ist unerwünscht, da eine solche Drehung inhärent instabil ist und im Allgemeinen eine gelegentliche Richtungsänderung zeigt, was für eine unbeständige Abgaberichtung und ein instabiles dynamisches Verhalten in der Abgabeströmung und anschließend in der Form sorgt.
Bei einer dritten Ausführungsform schließt die Austrittsöffnung Zungen sowohl auf dem stromabwärtigen und stromaufwärtigen Rand der Öffnung ein. Eine Austrittsöffnung, die sowohl eine stromaufwärtige und eine stromabwärtige Zunge umfasst, begünstigt die Bildung von gleichförmigen gegenläufigen Strömungen innerhalb des Ausflusses mit ausgezeichneter Symmetrie und von kleiner und kontrollierter Größe.
Andere Einzelheiten, Ziele und Vorteile der Erfindung werden ersichtlich, während mit der nachfolgenden Beschreibung eines gegenwärtigen bevorzugten Verfahrens zur Durchführung der Erfindung fortgefahren wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Gießrohrs der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Gießrohrs der vorliegenden Erfindung aus einer Blickrichtung senkrecht zu einer Austrittsöffnung.
3 zeigt eine Ansicht eines Gießrohrs des Standes der Technik aus einer Blickrichtung senkrecht zu einer Austrittsöffnung sowie das damit verbundene instabile Strömungsmuster.
4 zeigt eine Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Gießrohrs der vorliegenden Erfindung einschließlich eines gegenläufigen Strömungsmusters.
5 zeigt eine Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Gießrohrs der vorliegenden Erfindung, wobei die Auslegungsparameter einer Zunge definiert werden.
6 zeigt eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Gießrohrs der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt, wobei die Abgabewinkel von Schlitzen und Zunge definiert werden.
7 zeigt eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Gießrohrs der vorliegenden Erfindung aus einer Blickrichtung senkrecht zu einer Austrittsöffnung.
8 zeigt eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Gießrohrs der vorliegenden Erfindung aus einer Blickrichtung senkrecht zu einer Austrittsöffnung einschließlich eines gegenläufigen Strömungsmusters.
9 zeigt eine Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Gießrohrs der vorliegenden Erfindung aus einer Blickrichtung senkrecht zu einer Austrittsöffnung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung umfasst ein Gießrohr zur Verwendung beim Stranggießen von geschmolzenem Metall. Das Gießrohr umfasst eine Bohrung, die mit mindestens einer Austrittsöffnung in Fluidverbindung steht. Gießrohr bedeutet Umhüllungen, Ausgüsse und andere Feuerfestteile, um einen Strom von geschmolzenem Metall zu lenken, einschließlich zum Beispiel Tauchumhüllungen und Tauchausgüsse. Die Erfindung ist besonders für Gießrohre geeignet, die eine Austrittsöffnung besitzen, welche angepasst ist, um geschmolzenes Metall unter der Oberfläche des Metalls in einem Aufnahmebehälter, wie einer Form, abzugeben.
Die 1 und 2 zeigen alternative Perspektiven eines Gießrohrs 1. Das Gießrohr 1 umfasst einen Einlass 11 und eine Austrittsöffnung 12, die durch eine Bohrung 13 in Fluidverbindung stehen. Das Gießrohr 1 gestattet es einem Strom von geschmolzenem Metall von einem stromaufwärtigen Ende am Einlass 11 durch die Bohrung und zu einem stromabwärtigen Ende an der Austrittsöffnung 12 zu fließen. Die Austrittsöffnung 12 wird vom Umfangsrand einer Öffnung begrenzt, die sich durch das Gießrohr 1 hindurch von seiner Außenseite bis zu seiner Bohrung 13 erstreckt. Der Umfangsrand der Austrittsöffnung 12 umfasst eine stromabwärtige Oberfläche 21. Der Umfangsrand der Austrittsöffnung kann von einer beliebigen zweckmäßigen allgemeinen Form sein, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf oval, polygonal oder eine beliebige Kombinationen davon. Zweckmäßigerweise ist die allgemeine Form der Austrittsöffnung im Wesentlichen rechteckig. Bei einer Ausführungsform wird die Austrittsöffnung 12 von der stromabwärtigen Oberfläche 21, einer stromaufwärtigen Oberfläche 22 und seitlichen Oberflächen 23 begrenzt, welche die stromabwärtige und die stromaufwärtige Oberfläche verbinden. Mindestens eine Zunge 24 erstreckt sich aus entweder der stromabwärtigen Oberfläche 21 oder der stromaufwärtigen Oberfläche 22. Die Zunge 24, die stromabwärtige Oberfläche 21 und die seitlichen Oberflächen 23 begrenzen eine Mehrzahl von schlitzförmigen Öffnungen 25.
3 zeigt ein Gießrohr 2 des Standes der Technik mit einem Einlass 11 und einer Austrittsöffnung 12. Während des Gießens von geschmolzenem Metall wandelt sich mindestens ein Teil der kinetischen Energie eines abwärts gerichteten Stroms 31 von geschmolzenem Metall in einen rotierenden Ausfluss 32 mit einem Drehimpuls um. Die übrige kinetische Energie bewirkt, dass der Strom als Hochgeschwindigkeitsstrahl aus der Austrittsöffnung austritt. Der rotierende Ausfluss 32 ist so dargestellt als ob er sich in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn gesehen dreht, jedoch ist die Drehrichtung des Ausflusses aus einem Gießrohr des Standes der Technik instabil und wird eine gelegentliche Richtungsänderung zeigen. In Abhängigkeit vom Grad der Asymmetrie der Impulsverteilung innerhalb des abwärts gerichteten Stroms 31 kann das Ausmaß der Drehung im Ausfluss so groß wie die Breite, und die Höhe, oder der Durchmesser der Austrittsöffnung sein. Eine instabile großräumige Drehung innerhalb des Ausflusses und der Hochgeschwindigkeitsstrahl, die von Gießrohren des Standes der Technik erzeugt werden, führen zu Turbulenz, Oberflächenwellenbildung, Strömungsmusterinstabilität und thermischen Inhomogenitäten innerhalb der Form. Weiter bewirkt die rotierende Strömung 32 eine Strömungsauftrennung innerhalb der Austrittsöffnung 12, was diese Schwierigkeiten weiter verschlimmert. Die Strömungsauftrennung ist mit einer Aluminiumoxid-Verstopfung verbunden, welche den Ausfluss aus der Austrittsöffnung blockieren kann. Die Kombination eines Hochgeschwindigkeitsstrahls und einer großräumigen drehenden Strömung erzeugt einen instabilen Ausfluss, der innerhalb der Form hin und her pendeln und wandern kann. Austrittsöffnungen des Standes der Technik korrigieren diese Mängel nicht.
Im Gegensatz dazu lenkt die Austrittsöffnung 12 der vorliegenden Erfindung, wie in 4 dargestellt, den abwärts gerichteten Strom 31 von geschmolzenem Metall mindestens teilweise durch die Schlitze 25 um. Die Schlitze wandeln mindestens einen Teil der kinetischen Energie des abwärts gerichteten Stroms 31 in mindestens zwei gegenläufige Strömungen 41 um und wirken somit einer Entstehung eines einzigen großräumigen drehenden Kreislaufs innerhalb des Ausflusses entgegen. Die Drehimpulse der gegenläufigen Strömungen 41 heben sich im Wesentlichen auf, so dass der Ausfluss aus der Austrittsöffnung 12 einen geringen oder keinen Netto-Drehimpuls aufweist. Gleichzeitig werden die kinetische Energie und folglich die Geschwindigkeit des abgegebenen Stroms wesentlich verringert, da der abgegebene Strom gleichförmiger über die Austrittsöffnung 12 hinweg verteilt wird. Gegenläufige Strömungen 41 gestatten es, die Geschwindigkeit des Ausflusses bedeutend zu verringern und eine großräumige Drehung, Verwirbelung oder Wirbelbildung im Ausfluss zu verhindern. Der Ausfluss breitet sich mehr aus und kann näher zur Oberfläche gelenkt werden, ohne dass eine Oberflächenwellenbildung oder Turbulenz verursacht wird. Ein sich mehr ausbreitender Ausfluss führt zu einer besseren Wärmeverteilung in einer Form. Zudem werden die Strömungsauftrennung in der Austrittsöffnung 12 und die zugehörige Aluminiumoxid-Verstopfung verringert. Strömungsinstabilitäten, die bei einer Aluminiumoxid-Verstopfung inhärent sind, können im Wesentlichen vermieden werden.
Eine Zunge sollte von einer ausreichenden Größe sein, um Schlitze zu begrenzen, die imstande sind, gegenläufige Strömungen im Ausfluss hervorzurufen. Bezug nehmend auf 5, weist die Zunge 24 eine Breite (w1) 51 und eine Höhe (h1) 52 auf. In Beziehung zur Breite (W) 53 und Höhe (H) 54 der Austrittsöffnung 12 wird die Breite 51 der Zunge typischerweise mindestens etwa ein Achtel der Breite 53 der Austrittsöffnung betragen. Die Höhe 52 der Zunge wird gewöhnlich mindestens etwa ein Achtel der Höhe 54 der Austrittsöffnung 12 betragen. Es ist ersichtlich, dass eine Vergrößerung der Abmessungen der Zunge die Gesamtabgabefläche der Austrittsöffnung verringern kann, wodurch der mögliche Ausfluss aus dem Gießrohr verringert wird, so dass die Zunge häufig so klein wie möglich sein wird, um die gegenläufigen Strömungen zu erzeugen. Die Gießbedingungen, einschließlich die Qualität des geschmolzenen Metalls, die Gießtemperatur, die Formgeometrie, das Ausflussvolumen, die Größe des Gießrohrs und die Größe der Austrittsöffnung werden die Abmessungen der Zunge beeinflussen.
Bezug nehmend auf 6, sind die Zunge und ihre zugehörigen Schlitze ausgelegt, um die Abgabeströmung bis zu einem gewünschten Winkel umzubiegen. Die Längsachse 61 der Bohrung 13 ist mit der allgemeinen Richtung des abwärts gerichteten Metallstroms durch die Bohrung ausgerichtet. Eine senkrechte Achse 63 befindet sich im rechten Winkel zur Längsachse 61 und tritt allgemein mittig durch eine Austrittsöffnung hindurch. Die vom Rand weg gerichtete Oberfläche der Zunge ist als die erweiterte Oberfläche 64 definiert und ist unter einem Winkel α₁ zur senkrechten Achse 63 angeordnet. Die stromabwärtige Oberfläche 65 eines Schlitzes ist unter einem Winkel α₂ zur senkrechten Achse 63 angeordnet. Die Winkel α₁ und α₂ können gewählt werden, um Teile der Abgabeströmung bis zu den gewünschten Abgabewinkeln umzubiegen. Wie dem Fachmann bekannt ist, werden die gewünschten Abgabewinkel von den Gießbedingungen, wie der Qualität des geschmolzenen Metalls, der Gießtemperatur, der Formgeometrie, dem Ausflussvolumen, der Größe des Gießrohrs und der Größe der Austrittsöffnung abhängen. Die Winkel α₁ und α₂ liegen typischerweise im Bereich von –45 bis +45 Grad.
7 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Gießrohrs der vorliegenden Erfindung. Das Gießrohrs 1 umfasst einen Einlass 11 und eine Austrittsöffnung 12, die durch eine Durchflussbohrung 13 in Fluidverbindung stehen. Das Gießrohr 1 ist angepasst, um einen Strom von geschmolzenem Metall von einem stromaufwärtigen Ende am Einlass 11 durch die Bohrung und zu einem die Austrittsöffnung 12 umfassenden stromabwärtigen Ende zu transportieren. Die Austrittsöffnung 12 wird von einer stromaufwärtigen Oberfläche 22, einer stromabwärtigen Oberfläche 21 und seitlichen Oberflächen 23 begrenzt, welche die stromabwärtige und die stromaufwärtige Oberfläche verbinden. Die Austrittsöffnung kann von einer beliebigen zweckmäßigen allgemeinen Gestalt sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf oval, polygonal oder eine beliebige Kombination davon. Zweckmäßigerweise ist die allgemeine Gestalt der Austrittsöffnung im Wesentlichen rechteckig. Mindestens eine Zunge 24 erstreckt sich von der stromaufwärtigen Oberfläche 22 aus stromabwärts. Die Zunge 24, die stromaufwärtige Oberfläche 22 und die seitlichen Oberflächen 23 begrenzen eine Mehrzahl von schlitzförmigen Öffnungen 25.
Eine Austrittsöffnung 12 der vorliegenden Erfindung, wie in 8 dargestellt, lenkt den abwärts gerichteten Strom 31 von geschmolzenem Metall mindestens teilweise durch die Schlitze 25 um. Indem sie einer Entstehung eines einzigen großräumigen sich drehenden Kreislaufs innerhalb der Abgabeströmung einen Widerstand entgegen setzen, wandeln die Schlitze 25 mindestens einen Teil der kinetischen Energie der sich drehenden Ströme 32 in gegenläufige Strömungen 41 um. Die Drehimpulse der gegenläufigen Strömungen 41 verringern den Drehimpuls des Ausflusses aus der Austrittsöffnung 12 bedeutend. Eine großräumige Drehung, Verwirbelung oder Wirbelbildung im Ausfluss wird verhindert, und der Ausfluss ist symmetrischer, breitet sich mehr aus und kann ohne eine übermäßige Oberflächenwellenbildung oder Turbulenz näher zur Oberseite der Form oder des Aufnahmebehälters gelenkt werden. Zudem können eine Strömungsauftrennung in der Austrittsöffnung 12 und Strömungsinstabilitäten, die einer Aluminiumoxid-Verstopfung inhärent sind, im Wesentlichen vermieden werden, und die zugehörige Aluminiumoxid-Verstopfung kann verringert werden.
9 zeigt eine dritte Ausführungsform des Gießrohrs der vorliegenden Erfindung. Das Gießrohr 1 umfasst einen Einlass 11 und eine Austrittsöffnung 12, die durch eine Durchflussbohrung 13 in Fluidverbindung stehen. Das Gießrohr 1 ist angepasst, um einen Strom von geschmolzenem Metall von einem stromaufwärtigen Ende am Einlass 11 durch die Bohrung und zu einem die Austrittsöffnung 12 umfassenden stromabwärtigen Ende zu transportieren. Die Austrittsöffnung 12 wird von einer stromaufwärtigen Oberfläche 22, einer stromabwärtigen Oberfläche 21 und seitlichen Oberflächen 23 begrenzt, welche die stromabwärtige und die stromaufwärtige Oberfläche verbinden. Die Austrittsöffnung kann von einer beliebigen zweckmäßigen allgemeinen Gestalt sein, einschließlich, aber nicht begrenzt auf oval, polygonal oder eine beliebige Kombination davon. Zweckmäßigerweise ist die allgemeine Gestalt der Austrittsöffnung im Wesentlichen rechteckig. Mindestens eine untere Zunge 91 erstreckt sich von der stromabwärtigen Oberfläche 21 aus stromaufwärts, und mindestens eine obere Zunge 92 erstreckt sich von der stromaufwärtigen Oberfläche 22 aus stromabwärts. Die untere Zunge 91, die obere Zunge 92, die stromabwärtige Oberfläche 21, die stromaufwärtige Oberfläche 22 und die seitlichen Oberflächen 23 begrenzen eine Mehrzahl von schlitzförmigen Öffnungen 25. Geschmolzenes Metall, das aus dem Gießrohr 1 abgegeben wird, strömt unter Entstehung von gegenläufigen Strömungen von geringer Größe und sehr hoher Stabilität mindestens teilweise durch die Schlitze 25 hindurch.
Es ist ersichtlich, dass zahlreiche Abwandlungen und Veränderungen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Vorteilhafterweise kann die vorliegende Erfindung mit Bohrungsgeometrien des Standes der Technik kombiniert werden, wie zum Beispiel Bohrungen, die Unstetigkeiten oder "Stufen" umfassen, oder Bohrungen, die kegelstumpfförmige Abschnitte umfassen. Es versteht sich daher, dass die Erfindung innerhalb des Umfangs der nachfolgenden Ansprüche anders als speziell beschrieben ausgeführt werden kann.

Claims

Gießrohr (1) zur Verwendung beim Gießen eines Stroms von geschmolzenem Metall aus einer stromaufwärtigen Position in eine stromabwärtige Position, wobei das Gießrohr (1) eine innere Oberfläche umfasst, die eine Bohrung (13) begrenzt, sowie eine äußere Oberfläche, die mindestens eine mindestens teilweise von einem Rand (21, 22) begrenzte und mit der Bohrung in Fluidverbindung stehende Austrittsöffnung (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eine Zunge (24, 90, 91) aus einem Rand (21, 22) der Austrittsöffnung (12) erstreckt, wodurch in der Austrittsöffnung (12) mindestens zwei Schlitze (25) erzeugt werden.
Gießrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (12) einen stromabwärtigen Rand (21) einschließt und sich die Zunge (24, 91) vom stromabwärtigen Rand (21) aus stromaufwärts erstreckt.
Gießrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (12) einen stromaufwärtigen Rand (22) einschließt und sich die Zunge (24, 92) vom stromaufwärtigen Rand (22) aus stromabwärts erstreckt.
Gießrohr nach einen der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gießrohr (1) zwischen der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Position eine Längsachse (61) einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zunge (24, 91, 92) eine erweiterte Oberfläche (64) einschließt, und die erweiterte Oberfläche (64) eine Zungenebene definiert, welche die Längsachse (61) unter einem Winkel von –45 bis +45° schneidet.
Gießrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rand (21, 22) eine Randoberfläche einschließt, die eine Randebene definiert, welche die Längsachse (61) unter einem Winkel von –45 bis +45° schneidet.
Gießrohr nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (12) eine Austrittsebene definiert, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse (61) ist.
Gießrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (13) eine Mehrzahl von in Fluidverbindung stehenden Abschnitten umfasst.
Gießrohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unstetigkeit jeden Abschnitt trennt.
Gießrohr nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte mindestens einen kegelstumpfförmigen Abschnitt einschließen.
Verfahren zum Gießen eines Stroms von geschmolzenem Metall unter Verwendung eines Gießrohrs (1), wie in einem der Ansprüche 1 bis 9 beschrieben, umfassend die Schritte: a) Hindurchleiten eines Metallstroms (31) durch die Bohrung (13); b) Lenken des Stroms zur Austrittsöffnung (12) hin; c) Erzeugen von symmetrischen gegenläufigen Strömungen (41) im Strom, während der Strom durch die Austrittsöffnung (12) hindurchtritt.