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Die
Erfindung betrifft einen Stopfen zur Steuerung des Flusses von geschmolzenem
Metall aus einem metallurgischen Gefäß wie einem Tundish. Jeder
nachfolgende Bezug, der sich auf die Form, Konstruktion und/oder
Funktion des Stopfens bezieht, erfolgt in Hinblick auf die typische
Gebrauchsposition eines solchen Stopfens, das ist eine vertikal
orientierte Richtung.
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Es
ist bekannt, im Stahlguss eine solche Stopfeneinrichtung zu benutzen,
die in einigen Fällen eine
einteilige feuerfeste Stopfenstange ist, mit einer so genannten „Nase" am unteren Ende,
Mitteln zur Befestigung einer Metallstange an ihrem oberen Ende
und die vertikal durch einen Hebemechanismus bewegt wird, um die
Querschnittsfläche
einer Auslassöffnung
eines korrespondierenden metallurgischen Gefäßes zu schließen oder
zu verändern.
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Weitere
Einzelheiten der grundsätzlichen Stopfenform
und zugehörigen
Befestigungsmittel an einen Hebelmechanismus werden in der
EP 0 358 535 B2 beschrieben.
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Stopfen
der genannten Art wurden auch zur Zuführung eines Gases benutzt,
oft eines Inertgases, wie Argon, in den geschmolzenen Stahl. Diese
Gase werden in die metallurgische Schmelze zur Qualitätsverbesserung
eingedüst,
beispielsweise indem Flotationsmittel für nichtmetallische Einschlüsse in der Schmelze
bereitgestellt werden. Typischerweise wird das Gas in die Schmelze über Gasspülkegel zugeführt, wie
sie in der
EP 0329645
A1 offenbart sind.
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Die
EP 1 401 600 B1 offenbart
einen solchen Monoblockstopfen, der in der Lage ist, Gas während des
Gießens
der Metallschmelze zuzuführen.
Dieser Stopfen hat eine Bohrung, die eine interne Kammer (die koaxial
zur Längsachse
der Stopfenstange verläuft)
mit einem Gasauslassbereich am untersten Ende der Stopfenstange
verbindet, der Teil der Stopfennase ist. Dabei besteht die Gefahr,
dass der dem Stopfen zugeführte
Gasfluss während
des Gießvorgangs
nicht ausreichend ist um das Saugpotential eines Vakuums auszugleichen
oder zu überlagern, welches
an der Stopfennase durch fließenden
Stahl gebildet wird, auch „Wasserpumpeneffekt" genannt.
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In
diesem Fall zieht das Vakuum an der Stopfenspitze das gesamte zugeführte Inertgas
aus der Stopfenbohrung und dem Zuführsystem ab, wobei ein Unterdruck
im System gebildet wird.
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Sofern
irgendwelche unvollständigen
Dichtungen im System vorhanden sind, wird in Folge des Unterdrucks
Luft angesaugt und in den Stahlfluss an der Stopfenspitze geführt. An
dieser Stelle entsteht die größte Problematik
sowohl für
die Qualität
des Gießstahls
als auch für
die operative Stabilität
des Gießprozesses.
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Es
ist nicht möglich,
die Strömungsleistung des
Inertgases zu steigern, um das Saugpotential des „Wasserpumpeneffekts" zu übersteigen,
weil dies nicht akzeptable Qualitätsprobleme verursachen würde, beispielsweise übermäßige Turbulenzen
in der Form, Bildung von Einschlüssen
oder „pin
holes" im ausgehärteten Stahlprodukt.
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In
der
EP 1 401 600 B1 werden
Kalibriermittel gezeigt, nämlich
ein Stab mit einer oder mehreren axial verlaufenden Gaspassagen,
wobei die Mittel in der Bohrung vorgesehen sind, um einen vorbestimmten
Strömungswiderstand
anzubieten. Die Stange muss in die Stopfenform implementiert sein
und sich über
das untere Niveau der internen Kammer erstrecken. In der Praxis
ist sehr schwierig den Fließwiderstand
vorherzusagen und einen korrespondierenden Stopfen herzustellen.
Zusätzliche
Prozessschritte sind notwendig, um den Stab in den vorgefertigten Stopfen
einzuführen
und dabei treten weitere Probleme auf, eine effektive Verbindung
und Gasdichtigkeit sicherzustellen, um Veränderungen durch räumliche Beschränkungen
während
des Betriebes zu vermeiden.
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Entsprechend
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Stopfeneinrichtung
der genannten Art anzubieten, die einfach herzustellen ist und effektive
Mittel für
den Transport und die Abgabe eines geeigneten Gases bereitstellt.
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Die
Erfindung basiert auf dem allgemeinen Vorschlag, einen beschränkten Kanal
für den
Inertgasfluss im Stopfen anzuordnen, um einen vorbestimmten Überdruck
bereitzustellen, der die Bildung eines Vakuums an der Stopfenspitze
verhindert, und zwar bei allen möglichen
Betriebsbedingungen, wie sie auf die Stopfenbohrung und das Gaszuführsystem
Auswirkungen haben. Die vorbestimmte Überdruckcharakteristik ist
abhängig
von:
- a) dem extern bereitgestellten Gasfluss
(Menge/Druck),
- b) der Länge
des Gaskanals,
- c) des Querschnittes des Gaskanals,
- d) der Anordnung des Gaskanals im Stopfenkörper.
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Untersuchungen
zur Ermittlung der bevorzugten Gasspülbedingungen haben gezeigt,
dass Gaskanäle
unterhalb eines bestimmten Durchmessers nicht in der Lage sind einen
konsistenten Widerstand durch eine operative Sequenz bereitzustellen, wegen
der Gefahr einer Verstopfung des Systems oder wegen kleiner Änderungen,
bedingt durch das thermomechanische Verhalten der keramischen Materialien,
welches zu einer signifikanten Querschnittsveränderung unter Betriebsbedingungen
führt.
Drosselkanäle
von weniger als 1 mm Durchmesser haben ein erhöhtes Risiko in Hinblick auf
solche Veränderungen.
Es wurde gefunden, dass Kanäle
mit einem Durchmesser von mehr als 1 mm diese Risken minimieren.
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Es
wurde weiters gefunden, dass der Widerstand von Reibeffekten an
der Wand abhängig
ist, die sich aus der Kanallänge
und den korrespondierenden Oberflächenbedingungen ergeben.
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Es
wurde gefunden, dass die Länge
eines korrespondierenden Gaskanals signifikant länger als die „Dicke" des Feuerfestmaterials
in dem entsprechenden Abschnitt sein muss und/oder seine Wandabschnitte
eine mehr oder weniger rauhe Oberfläche zumindest sektional aufweisen
sollten.
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In
ihrer allgemeinsten Ausführungsform
betrifft die Erfindung eine Stopfenstange zur Fließsteuerung
von geschmolzenem Metall aus einem metallurgischen Gefäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1.
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Der
gedrosselte Kanal innerhalb des Stopfens verursacht einen vorbestimmten Überdruck
in der Stopfenbohrung und dem Zufuhrsystem bei gewünschten
Gasdurchflussraten. Dieser vorbestimmte Überdruck muss sicherstellen,
dass jegliches Vakuum, das sich durch den „Wasserpumpeneffekt" während des
Gießens
an der Stopfenspitze bildet, nicht ausreicht, den Widerstand dieses
Kanals zu überwinden
und das gesamte zugeführte
Gas aus dem System abzuziehen.
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Der
Drosselungsgrad und der vorbestimmte Überdruck des Stopfensystems
müssen
deshalb an die aktuellen Gießbedingungen
und die geometrische Konfiguration sowohl der Stopfenspitze als auch
der Gießöffnung angepasst
werden, die sich während
einer Gießfrequenz ändern können.
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Entlang
des Bohrlochs (im wesentlichen entlang dessen oberem Ende), das
vorzugsweise koaxial zur Längsachse
des Stopfenkörpers
angeordnet ist, sind die vorstehend erwähnten Befestigungsmittel angeordnet,
die mit korrespondierenden Mitteln eines Metallstabes korrespondieren,
der mit einem Ende in das Bohrloch eingeführt und mit seinem anderen
Ende an dem Hebelmechanismus befestigt ist.
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Das
Bohrloch, welches vorstehend ganz allgemein auch als eine interne
Kammer bezeichnet wurde, und alle darin angeordneten Mittel sind
in einer solchen Weise gestaltet, dass ein Gas wie ein Inertgas
entlang der Länge des
Bohrlochs strömen
und in den Gaskanal eintreten kann, der sich vom unteren Ende des
Bohrlochs zum unteren Oberflächenbereich
der feuerfesten Stopfeneinrichtung erstreckt.
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Die
Länge des
genannten Gaskanals kann mindestens 2- bis 3-mal so groß sein wie
die Länge der
korrespondierenden kürzesten
Entfernung zwischen seinem Einlass- und seinem Auslassende beziehungsweise
im Verhältnis
zur Entfernung zwischen seinen Enden in Längsachse des Stabkörpers.
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Damit
wird ein Design umfasst, gemäß dem die
Länge des
Gaskanals 5- bis 30-mal größer ist
als eine der vorstehend definierten Strecken. Es können zwei
oder mehr Gaskanäle
vorgesehen werden.
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Um
einen entsprechend langen Kanal in einem feuerfesten keramischen
Stopfenabschnitt von begrenzter Größe vorzusehen, kann der Kanal
beispielsweise spiralförmig
beziehungsweise mäanderförmig gestaltet
sein. Es können
auch alle anderen Formen gewählt
werden, solange die Kanallänge
der oben genannten Formel folgt.
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Der
Kanal kann aus jedem geeigneten Material gebildet werden, welches
während
erhöhter
Temperaturbehandlung ausbrennt, insbesondere während des Sinterns des feuerfesten
Stopfens. Ein Beispiel: Eine spiralförmige Wendel aus Plastik wird
in eine isostatische Pressvorrichtung integriert, die danach mit
einem geeigneten keramischen Material befüllt wird und dabei den Formkörper umgibt.
Nach weiteren Verfahrensschritten und Formgebung wird der vorgefertigte
Stopfen gesintert. Zu dieser Zeit brennt die spiralförmige Plastikwendel
aus und stellt den gewünschten
spiralförmigen
Gaskanal zur Verfügung.
Selbstverständlich
kann der genannte Gaskanal ebenso durch ein vorfabriziertes Rohr
mit entsprechender Form bereitgestellt werden.
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Der
Gaskanal kann so angeordnet werden, dass er mit Abstand zum untersten
Ende (dem Boden) des Bohrlochs in dieses eintritt. Dies erhöht nicht
nur den Abstand zum unteren freien Ende der Stopfenstange, sondern
vermeidet auch jede Gefahr einer Blockage durch Feststoffe, die
in den Gaskanal eindringen (debris).
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Typischerweise
beginnt der Kanal zwischen 10 und 100 mm oberhalb des Bodenendes
des Bohrlochs, aber dies kann für
spezielle Anwendungen unterschiedlich sein.
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Nach
einer Ausführungsform
weist der Gaskanal einen eine mittlere Querschnittsfläche zwischen
0,5 und 4 mm2 auf. Der Gaskanal kann nahezu jede
Form haben. Sein Querschnitt, senkrecht zur Gasflussrichtung, kann
einen Kreis, ein Dreieck, ein Quadrat definieren oder beispielsweise
rechteckig sein.
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Der
mindestens eine Gaskanal kann mindestens teilweise innerhalb oder
um ein feuerfestes Formteil angeordnet werden, dass in oder an dem Körper befestigt
ist. Beispielsweise kann der Kanal in oder auf der Oberfläche eines
feuerfesten Formteils angeordnet sein, welches entlang einer korrespondierenden Öffnung des
Stopfens beziehungsweise des feuerfesten Körpers angeordnet ist. Dieses
separate Teil kann gegenüber
dem feuerfesten Körper befestigt
werden, beispielsweise durch Schrauben, Stifte oder dergleichen.
Das geformte Teil kann auch am Körper
mittels eines Mörtels
oder eines Klebers befestigt werden. Dieses Teil kann ein isostatisch
gepresstes Teil sein, ungebrannt oder gebrannt. Der Kanal kann innerhalb
des Teils angeordnet werden, auf dessen Oberfläche und/oder entlang einer
Nut im korrespondierenden Körperabschnitt.
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Wie
vorstehend bereits erwähnt,
kann die Querschnittsfläche
des Gaskanals entlang seiner Länge
variieren. Beispielsweise kann sie entlang bestimmter Intervalle über die
Länge vergrößert sein. Dies
erhöht
den Staudruck und verhindert jegliche Gefahr der Unterbrechung des
Gasflusses. Der Gaskanal kann mit Vorsprüngen ausgebildet sein, die
den Gaskanal schmaler machen oder/und mit Ausnehmungen, die den
Gasweg vergrößern. Vorsprünge und
Rücksprünge können diskret
ausgebildet sein. Sie können
sich wie ein Ring um den Gasdurchtrittsbereich erstrecken. Sie können jede
beliebige Form aufweisen. Sie können
an normale Wandabschnitte über
scharfe Kanten oder weiche Ecken anschließen (beziehungsweise zwischen
Bereiche).
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Nach
einer Ausführungsform
beträgt
die Gesamtlänge
eines Gaskanals zwischen seinem Einlass- und Auslassende zwischen
50 und 1000 mm. Während
die Kanalorientierung, Neigung, Form und der Querschnitt, wie oben
beschrieben, variieren können,
sieht ein Ausführungsbeispiel
eine Form vor, gemäß der der
Gaskanal sich entlang der Längsachse
des Körpers
vom untersten Oberflächenabschnitt des
Körpers
in den Körper
erstreckt. Mit anderen Worten: Das allerletzte Ende des Gaskanals
(in Richtung des Gasflusses) ist parallel und koaxial zur Längsachse
der Stopfenstange. Zusammen mit einer typischerweise Rotationssymmetrie
der gesamten Stopfeneinrichtung ermöglicht dies einen zentralen Gasfluss
in die Auslassdüse
und damit verbesserte Fließbedingungen
und einen optimierten Behandlungseffekt der Schmelze. Als Alternative
kann der Gaskanal mit zwei oder mehr Auslassenden ausgebildet werden.
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Das
folgende Beispiel zeigt den Effekt des erfindungsgemäßen Vorschlags.
Ausgehend von einer Stopfenform gemäß
1 der
EP 0 358 535 B1 und
einem konstant aufgebrachten Gasdruck in einer konstant aufgebrachten
Fließrate,
ergibt sich für
das resultierende innere System eine Druckerhöhung von 0,3 bar, wenn der
Gaskanal von ursprünglich
1,4 mm Durchmesser und 100 mm Länge
auf 1,4 mm Durchmesser aber 400 mm Länge geändert wird.
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Zwei
Ausführungsformen
der Erfindung werden jetzt beispielhaft beschrieben, mit Bezug auf
die beigefügte
Zeichnung, in der die 1 und 2 schematische
Ansichten unterschiedlicher Teile von zwei Stopfen nach unterschiedlichen
Ausführungsformen
der Erfindung darstellen. In beiden Figuren sind die Stangen in
einem vertikalen Längsschnitt dargestellt.
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1 bezeichnet
mit dem Bezugszeichen 10 einen feuerfesten keramischen
Körper,
der als Stab geformt ist. Die Längsachse
ist mit A-A markiert.
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Das
unterste Ende des Stopfens trägt
das Bezugszeichen 12. Dieses ist Teil des unteren Endes 10l,
der so genannten Stopfennase. Im Abstand oberhalb 12 (hier:
ungefähr
80 mm) erstreckt sich ein Bohrloch 14 (hier: mit einem
Durchmesser von etwa 40 mm) bis zum oberen Ende des Stopfens, wobei das
obere Ende in seiner Form Stand der Technik ist und nicht dargestellt
ist.
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Zwischen
dem oberen und dem unteren Ende 10i des Stopfenkörpers 10 befindet
sich ein Zwischenabschnitt 10i, entlang dem das Bohrloch eine
gewindeförmige
Wand 16 aufweist, die mit einem Außengewinde 18 eines
Metallstabes 20 korrespondiert, der in das Bohrloch 14 eingesetzt
ist, um den Stopfen 10 an einer korrespondierenden Hebeeinrichtung
sicher zu befestigen.
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In
einer Entfernung (h) vom Bodenende 14b des Bohrlochs 14 erstreckt
sich ein Gaskanal 22 mit seinem Einlassabschnitt 22i.
Auf seinem Weg zum Auslassabschnitt 22o im untersten Körperabschnitt 12 ist
der Gaskanal 22 mäanderförmig gestaltet,
wie schematisch in 1 dargestellt. Aufgrund dieser Mäanderform
wird die Kanallänge
charakteristisch erhöht,
verglichen mit dem axialen Abstand H (entlang der Längsachse
A) zwischen Einlassbereich 22i und Auslassbereich 22o oder
verglichen mit der direkten Entfernung zwischen dem Einlassabschnitt 22i und
dem Auslassabschnitt 22o, in 1 mit „D" markiert. Während „D" oder „H" zwischen 60 und
100 mm bei typischen Stopfenstangen liegen, beträgt die Gesamtlänge des
Gaskanals 22 erfindungsgemäß typischerweise zwischen 120
und 1000 mm, kann aber auch darüber
liegen.
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2 zeigt
ein (unteres) Ende, im Besonderen den Nasenabschnitt einer alternativen
Ausführungsform
nach der Erfindung, deren Hauptunterschiede nachstehend erläutert werden.
Anstelle einer Mäanderform
ist der Gaskanal 22 spiralartig gestaltet und endet in
einem etwas vergrößerten Endabschnitt 22o,
der wiederum koaxial mit der Längsachse
A ist, um Turbulenzen der Metallschmelze zu vermeiden oder zu minimieren,
wenn der Stopfen koaxial über einer
korrespondierenden Auslassöffnung
angeordnet wird.
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Aufgrund
der Spiralform des Gaskanals 22 wird seine Länge signifikant
größer gegenüber dem axialen
Abstand von Einlass- und Auslassabschnitten 22i und 22o.
Der Fließwiderstand
gegenüber
jedem Gas, welches entlang des Kanals 22 fließt, wird deutlich
erhöht,
wodurch sich die mit ungedrosseltem Gasfluss und Vakuumeffekten
während
des Verfahrens verbundenen Probleme vermeiden lassen.
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3 zeigt
das untere Ende 10l eines Stopfens, dessen Nasenabschnitt
einen separaten Formteil 30 umfasst, der in eine korrespondierende Öffnung 32 des
Nasenabschnitts eingeschraubt ist. Das Teil 30 umfasst
einen wendelartig (spiralförmig)
angeordneten Gaskanal 22 mit Einlassende 22i in
strömungstechnischer
Verbindung zum Bohrloch 14 und einem Auslassende 22,
das in der äußeren Fläche 10s des
Stopfens 10 am unteren Ende endet. Der Kanal 22 kann
auch zwischen korrespondierenden Oberflächen von Teil 30 und
Körper 10 ausgebildet werden,
nämlich
durch Vertiefungen in einer oder beiden Oberflächen, wie mit den gestrichelten
Linien 23 angedeutet.