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Diese
Erfindung betrifft eine Monoblockstopfenstange, die verwendet wird,
um während
des Metallgießens
den Strom von geschmolzenem Metall aus einer Austragsdüse in einem
Aufnahmebehälter zu
steuern.
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Bei
Stranggießverfahren
hat sich gezeigt, dass die Verwendung von Gasen, die den Stopfen
hinab injiziert werden, für
die Qualität
des gerade gegossenen Metalls signifikante Vorteile hat. Zum Beispiel
können
Inertgase, wie Argon oder Stickstoff, injiziert werden, um die Probleme
aufgrund einer Aluminiumoxid-Anbackung
und Verstopfung zu verringern oder um ein Beseitigen von Verfestigungsprodukten
aus der Nähe
der Austragsdüse
zu unterstützen.
Reaktive Gase können
ebenfalls verwendet werden, wenn die Schmelzezusammensetzung eine Veränderung
notwendig macht. Konventionell ist der Stopfen mit einer inneren
Kammer versehen, die am einen Ende mit einer Gasversorgungseinrichtung und
am anderen Ende mit einer Gasaustrittsöffnung verbunden ist.
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Es
sind verschiedene Systeme entwickelt worden, um sicherzustellen,
dass dem Stopfen ein genau bemessener Gasstrom zugeführt wird.
Probleme sind bei der Abdichtung solcher Systeme angetroffen worden,
sowie bei der Sicherstellung, dass das Gas seinem vorgesehenen Pfad
folgt und nicht vergeudet wird. Stopfen, die sich bei der Beseitigung von
vielen dieser Probleme als erfolgreich erwiesen haben, sind in der
EP-A2-358,535, der WO-A1-00/30785
und der WO-A1-00/30786 offenbart.
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Selbst
angesichts solcher wertvoller Verbesserungen besteht jedoch ein
Bedarf, andere Probleme anzugehen. Ein solches Problem erscheint
aufgrund des Effektes, dass während
des Gießens
ein großes
Volumen an Metallschmelze an der Nase des Stopfens vorbei durch
die Austragsöffnung
strömt. An
der Stopfenspitze kann ein Unterdruck erzeugt werden, der durch
die Gasaustrittsöffnung
in den Körper
und nach hinten bis zu den Versorgungsleitungen übertragen werden kann, wo er
sich jegliche mangelhaften Dichtungen zunutze machen kann, um ein
Ansaugen von Luft in den Gasstrom zu verursachen, mit einem beträchtlichen
Nachteil für
die Qualität
des Metalls, das gerade gegossen wird.
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Um
dieses Risiko zu beseitigen, sind verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden,
die eine Drosselung des Gasstroms innerhalb des Stopfens einschließen, wodurch
versucht wird, innerhalb des Stopfens einen positiven Druck zu erzeugen. Zum
Beispiel ist eine einfache Verengung zwischen der inneren Kammer
und der Gasaustrittsöffnung
bekannt, um für
eine Kontrolle zu sorgen. Es wurde berechnet, dass die Öffnungsgröße der inneren
Kammer bei dem benötigten
Druck zwischen 0,2–0,5
mm Durchmesser hat und als solche äußerst empfindlich für Verstopfung
durch im Gasstrom mitgeführte
Abriebteilchen oder Staub ist, wodurch ein Durchströmungsverlust
verursacht wird. Es ist auch bekannt, einen gasdurchlässigen Pfropfen
in den Stopfen einzusetzen, um für
die geforderte Strömungsbegrenzung
zu sorgen und den Stopfen unter Druck zu setzen. Jedoch leiden diese
Systeme unter dem Problem einer Veränderung der Permeabilitätseigenschaften
der Feuerfestmaterialien während
der Betriebslebensdauer des Stopfens und einer Anfälligkeit
gegen einen schnellen Temperaturanstieg während des Gießens und
haben infolge ihres Mangels an Zuverlässigkeit nur begrenzte Verwendung
gefunden.
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Gemäß einem
anderen bekannten System, das zum Beispiel in der GB-A-2,254,274
offenbart ist, ist ein Monoblockstopfen vorgesehen, der angepasst ist,
um während
des Gießens
von geschmolzenem Metall Gas zuzuführen, umfassend einen Stopfenkörper, der
eine innere Kammer und eine Gasaustrittsöffnung aufweist, wobei eine
Bohrung die innere Kammer mit der Gasaustrittsöffnung verbindet, wobei in
der Bohrung Kalibrierungsmittel vorgesehen sind, um für einen
verengten Pfad zu sorgen. Die Kalibrierungsmittel werden gebildet,
indem ein Opferhohlraumbildner verwendet wird, um einen Teil der
Bohrung zu bilden, welche die innere Kammer mit der Gasaustrittsöffnung verbindet,
wodurch für
einen Pfad mit verengter schlitzartiger Form gesorgt wird, von dem
gesagt wird, dass er der Strömung
einen vorbestimmten Widerstand entgegensetzt und dazu führt, innerhalb
des Stopfens einen positiven Druck aufrechtzuerhalten. Jedoch ist
die Bildung eines schlitzartigen Pfades, der unter Verwendung eines Opferhohlraumbildners
hergestellt wird, äußerst unzuverlässig, und
gestattet nicht die Erzeugung einer Verengung mit einem präzisen vorbestimmten
Strömungswiderstand.
Weiter gestattet dieses Erzeugungsverfahren keine Bildung von sehr
engen Kanälen.
Es versteht sich, dass ein positiver Druck innerhalb des Stopfens
bedeutet, dass der Druck mindestens gleich dem Druck außerhalb
des Stopfens ist.
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Gemäß einem
anderen bekannten System, das zum Beispiel in der FR-A-2,787,045
offenbart ist, ist ein Monoblockstopfen vorgesehen, der angepasst ist,
um während
des Gießens
von geschmolzenem Metall Gas zuzuführen, umfassend einen Stopfenkörper, der
eine innere Kammer und eine Gasaustrittsöffnung aufweist, wobei eine
Bohrung die innere Kammer mit der Gasaustrittsöffnung verbindet. Kalibrierungsmittel
sind in Form eines in die innere Kammer eingesetzten Venturirohrs
vorgesehen. Eine solche Ausbildung der Kalibrierungsmittel erlaubt
keine Flexibilität
beim Herstellungsprozess. Weiter müssen spezielle Vorkehrungen
getroffen werden, um das Problem eines Zusetzens des Venturirohrs
zu vermeiden, zum Beispiel durch Staub.
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Die
vorliegende Erfindung trachtet danach, die obigen, mit Stopfen aus
dem Stand der Technik verbundenen Probleme zu überwinden oder zumindest zu
mildern, und insbesondere ihren Mangel an Zuverlässigkeit.
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Gemäß einem
Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung somit einen Monoblockstopfen,
der angepasst ist, um während
des Gießens
von geschmolzenem Metall Gas zuzuführen, umfassend einen Stopfenkörper, der
eine innere Kammer und eine Gasaustrittsöffnung aufweist, wobei eine
Bohrung die innere Kammer mit der Gasaustrittsöffnung verbindet, wobei in
der Bohrung Kalibrierungsmittel vorgesehen sind, um für einen
verengten Pfad zu sorgen. Dieser Stopfen ist durch die Tatsache
gekennzeichnet, dass die Kalibrierungsmittel eine Stange umfassen,
die entlang derselben mindestens einen axial verlaufenden Gaskanal
aufweist, wobei der Gaskanal einen solchen Querschnitt aufweist,
dass ein vorbestimmter Strömungswiderstand
geboten wird.
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Der
vorbestimmte Strömungswiderstand
der Gaskanäle,
die sich entlang der Stange erstrecken, wird so berechnet, dass
eine sehr genaue und zuverlässige
Steuerung der Beziehung Gasstrom/Innendruck ermöglicht und/oder innerhalb des
Stopfens ein positiver Gasdruck aufrechterhalten wird.
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Die
Verwendung einer solchen Stange, die ganz am Ende des Herstellungsprozesses
des Stopfens in den Stopfenkörper
eingesetzt werden kann, lässt
bei der Einstellung des "vorbestimmten" Strömungswiderstandes
eine extreme Flexibilität
zu, so dass der Stopfen der Erfindung einfach durch Austausch der
Stange an einen weiten Bereich von Betriebsparametern angepasst
werden kann. Außerdem
kann die Stange – die
getrennt hergestellt wird – viel
mehr Aufmerksamkeit erhalten, als wenn sie zusammen mit dem Stopfen
hergestellt wird, und ist daher sehr viel zuverlässiger. Solche Stangen sind
im Handel zur Verwendung als Thermoelementhüllen erhältlich.
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Vorzugsweise
ist die Stange aus einem für Gas
undurchlässigen
Feuerfestmaterial hergestellt, so dass Gasleckagen in Höhe der Stange
vermieden werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Kalibrierung vergrößert wird.
Vorteilhafterweise ist das Material auch verschleißbeständig, so
dass der vorbestimmte Strömungswiderstand
während
der gesamten Lebensdauer der Stange konstant bleibt. Geeignete Materialien
schließen
Mullit, ein gebranntes Aluminosilikat, Aluminiumoxid, umkristallisiertes
Aluminiumoxid, Zirkonoxid-Aluminiumoxid und andere hochgradig feuerfeste
Materialien mit den geforderten Eigenschaften ein.
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Vorteilhaft
weist (weisen) der axial entlang der Stange verlaufende Kanal (oder
die Mehrzahl von Kanälen)
die Form einer Kapillarbohrung (von Kapillarbohrungen) oder eines
Kapillarschlitzes (von Kapillarschlitzen) auf, so dass der Druckabfall
vergrößert wird.
Es wird jedoch festgestellt, dass größere Gaskanäle von bis zu 2 oder 3 mm ebenfalls
erfolgreich verwendet worden sind. Insbesondere ist es vorteilhaft,
die Kanäle
so einzustellen, dass der Stopfen bei Schallbedingungen arbeitet
(das Gas mit einer Geschwindigkeit durch die Kanäle strömt, die mindestens gleich der
Schallgeschwindigkeit ist). Es ist in der Tat bekannt, dass man
unter diesen Bedingungen einen sehr viel zuverlässigeren Gasstrom erhalten
kann, da der Gasaustrittsstrom vom äußeren Druck an der Gasaustrittsspitze
unabhängig
ist und nur vom Druck innerhalb des Stopfens oder innerhalb der
Gasversorgungseinrichtung abhängt.
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Wahlweise
ist in der Stange eine Mehrzahl von Kanälen vorgesehen.
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Es
wird festgestellt, dass die Feinabstimmung der Kalibrierung entweder
ausgeführt
werden kann, indem der Gesamtquerschnitt der Gaskanäle oder
die Länge
der Stange verändert
wird.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Variante der Erfindung steht die Stange aus
der Bohrung heraus über
den Boden der inneren Kammer über. Diese
Anordnung liefert in der Tat um den überstehenden Teil der Stange
herum eine "Falle", die Staub und Partikel,
welche im Stopfen vorhanden sind, zurückhält, so dass sie den Gaskanal
(die Gaskanäle) nicht
verstopfen können.
In diesem Fall sollte die Stange über den Boden der inneren Kammer
ausreichend weit überstehen,
um zu vermeiden, dass die Partikel den Einlass der Gaskanäle erreichen.
Eine Höhe
von mindestens 1 Zentimeter, vorzugsweise mindestens 2 Zentimetern über den
Boden der inneren Kammer hinaus erlaubt es, dieses Ziel zu erreichen.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist zwischen mindestens einem Teil der
Stange und den Wänden
der Bohrung eine Dichtung vorhanden, die vorzugsweise aus einem
kompressiblen Feuerfestmaterial besteht. Dichtungen aus Graphit
geringer Dichte sind für
diesen Einsatz geeignet. Die Dichtung kann entweder während der
Herstellung des Stopfens oder in einem späteren Stadium an Ort und Stelle
eingesetzt werden.
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Es
ist möglich,
die Stange bis zur Austrittsöffnung
verlaufen zu lassen; diese Ausführungsform
ist von besonderem Interesse, wenn die Gaskanäle in der Stange als Kapillarbohrungen
oder -schlitze ausgebildet sind. Dies erlaubt es, Gas statt in Form
von großen
Blasen als feinen Gasstrahl in geschmolzenes Metall zu injizieren.
Bei einer Variante ist es auch möglich,
poröses
Material in einem Teil der Bohrung vorzusehen, der zwischen dem
unteren Ende der Stange und der Gasaustrittsöffnung angeordnet ist. Bei
einer solchen Anordnung werden die Gasstrahlen aufgebrochen und
in eine Verteilung von kleinen Blasen umgewandelt. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
wird ein poröser
Stopfen durch die Gasaustrittsöffnung
in die Bohrung eingesetzt.
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Allgemein
wird sich die Stange nur einige Zentimeter weit über den Boden der inneren Kammer erstrecken,
so dass der (die) axial entlang derselben verlaufende(n) Gaskanal
(Gaskanäle)
mit der inneren Kammer und der Gasaustrittsöffnung kommuniziert (kommunizieren).
Jedoch erstreckt sich bei einer speziellen Variante die Stange bis
hinauf zur Gaszufuhreinrichtung und ist mit dieser verbunden. Unter diesen
Bedingungen wird das zum Stopfen zugeführte Gas durch den Gaskanal
(die Gaskanäle)
der Stange hindurch direkt an der Gasaustrittsöffnung ausgetragen, sogar ohne
dass es in die innere Kammer abgegeben wird. Eine solche Anordnung
vermeidet sämtliche
Gasverluste, die aufgrund der Permeabilität des Stopfenmaterials auftreten
könnten.
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Der
erfindungsgemäße Stopfen
kann gemäß unterschiedlicher
Herstellungsverfahren hergestellt werden. Gemäß einem ersten Verfahren wird
eine Stange mit mindestens einem axial verlaufenden Gaskanal mit
dem Stopfenkörper
mitgepresst. Bei einer bevorzugten Variante dieses Verfahrens wird
vor dem Mitpressschritt eine Feuerfestdichtung um die Stange herum
angebracht, so dass die Dichtung zwischen der Stange und dem den
Stopfenkörper
bildenden Material zusammengedrückt
wird.
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Gemäß einem
anderen Herstellungsverfahren wird die Stange in einem späteren Stadium
in die Bohrung eingesetzt. Die Stange kann durch die Gasaustrittsöffnung oder
durch die innere Kammer in die Bohrung eingesetzt werden. Es ist
möglich,
Mörtel oder
Zement um die Stange herum hinzuzufügen, um sie innerhalb der Bohrung
zu befestigen. Vorteilhafterweise können eine oder mehrere Dichtungen
vor ihrem Einsetzen um die Stange herum angebracht werden, um mögliche Unterschiede
der Wärmedehnung
der verschiedenen Materialien auszugleichen. Es kann notwendig sein,
die Dichtung in die Bohrung zu zwängen. Vorzugsweise wird das
Dichtungsmaterial durch Mörtel
oder Zement vor Oxidation geschützt.
Der Bereich der Bohrung, der zur Aufnahme der Dichtung vorgesehen
ist, kann konisch geformt werden, so dass die Dichtung während ihres
Einsetzens zusammengedrückt
gehalten wird und während der
gesamten Lebensdauer der Stange unter Kompression gehalten wird.
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Das
zweite Herstellungsverfahren wird aus mehreren Gründen bevorzugt:
es erlaubt es, eine übliche
Stopfenausbildung zu haben, die nur ganz am Ende des Herstellungsprozesses
an die speziellen Betriebsparameter angepasst wird, es vermeidet auch
einen Ausschuss infolge eines möglichen Bruchs
der kalibrierten Stange während
der Pressvorgänge
und der anschließenden
Brennvorgänge.
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Bei
einer speziellen Variante des zweiten Herstellungsverfahrens ist
der tiefste Bereich der Bohrung mit einem Innengewinde versehen
und ausgelegt, um einen porösen
Einsatz mit Außengewinde aufzunehmen.
Dieser Einsatz erfüllt
die Funktion, das Gas in das geschmolzene Material zu verteilen und
den unteren Teil der Stange (vor einem Eintritt von geschmolzenem
Material) und die Dichtung (vor einer Oxidation) zu schützen. In
diesem Fall kann der poröse
Stopfen auch den unteren Teil der Dichtung berühren, so dass er auch dazu
beiträgt,
die Dichtung unter Kompression zu halten.
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Bei
einer anderen Herstellungsvariante entsprechend dem Fall der Stange,
die sich bis zur Gaszufuhreinrichtung hinauf erstreckt und mit dieser
verbunden ist, umfasst das Verfahren weiter einen Schritt eines
Verbindens der Stange mit der Gaszufuhreinrichtung.
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Einige
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen die 1 bis 4 schematische
Ansichten des unteren Teils von vier Stopfen gemäß verschiedener Ausführungsformen
der Erfindung sind.
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In
diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 1 die innerhalb
des Stopfenkörpers
ausgebildete innere Kammer. Die innere Kammer 1 kommuniziert
mit einer Gaszufuhreinrichtung (nicht dargestellt). Der Stopfen
weist auch eine Gasaustrittsöffnung 2 auf,
die an der untersten Spitze des Stopfens angeordnet ist. Eine Bohrung 3 verbindet
die innere Kammer 1 mit der Gasaustrittsöffnung 2.
Eine Stange 4 ist in der Bohrung 3 angeordnet.
Die Stange 4 weist einen oder mehrere axial verlaufende
Gaskanäle
entlang derselben auf. Der Gesamtquerschnitt der Gaskanäle ist so
berechnet, dass er einen vorbestimmten Strömungswiderstand bietet, um
innerhalb des Stopfens einen positiven Gasdruck aufrechtzuerhalten. Eine
aus Graphit geringer Dichte hergestellte und um die Stange 4 herum
angebrachte Dichtung 5 gestattet es, Gasleckagen zu vermeiden
und erhöht
dadurch die Zuverlässigkeit
des Systems.
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Die
Stange 4 des Stopfens aus 1 schließt mit dem
Boden der inneren Kammer 1 ab. Ähnliche Stopfen sind in den 2 bis 4 dargestellt,
jedoch ragt dort die Stange 4 über den Boden der inneren Kammer 1 hinaus,
so dass Staub und Partikel, die in der inneren Kammer 1 vorhanden
sind (zum Beispiel vom Gasstrom mitgeführt oder durch Abrasion innerhalb
des Stopfens erzeugt), die Gaskanaleinlässe nicht erreichen können.
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3 zeigt
eine spezielle Ausführungsform, bei
der die Stange 4 und eine Dichtung 5 aus Graphit geringer
Dichte mit dem Stopfen mitgepresst worden sind.
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4 zeigt
eine andere Ausführungsform, bei
der ein poröser
Stöpsel 6 in
eine in Höhe
der Gasaustrittsöffnung 2 um
die Bohrung 3 herum gebohrte Öffnung eingeführt worden
ist.
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- 1.
- Innere
Kammer
- 2.
- Gasaustrittsöffnung
- 3.
- Bohrung
- 4.
- Stange
- 5.
- Dichtung
- 6.
- Poröses Material