-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Injektionsvorrichtungen zur Zufuhr
eines Fluids in einen metallurgischen Behälter und ein Verfahren zur
Injektion eines Fluids. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche
Vorrichtung, die herausnehmbar in die Auskleidung eines metallurgischen
Behälters
einsetzbar ist.
-
Fluide,
insbesondere Gase, werden häufig zu
verschiedenen Zwecken in geschmolzenes Metall in Behältern, wie
Gießpfannen,
Tiegeln oder Zwischenpfannen injiziert. Zum Beispiel kann ein Gas
in den unteren Teil eines Behälters
zugeführt
werden, um den relativ kühlen
Bodenbereich von Verfestigungsprodukten zu befreien, z.B. um sie
aus der Nähe
eines unteren Gießauslasses
zu entfernen, wo der Behälter
einen solchen Auslass aufweist. Bei der Stahlherstellung trägt zum Beispiel
die Verwendung einer langsamen Injektion eines feinen Vorhangs von Gasblasen
in der Zwischenpfanne zur Entfernung von Einschlüssen bei; wobei die Einschlüsse zu den feinen
Gasblasen hin angezogen werden und durch die Schmelze zur Oberfläche aufsteigen,
wo sie konventionell durch das Zwischenpfannenabdeckpulver oder – flussmittel
eingefangen werden. Ein Fluid kann auch zum Spülen zugeführt werden, oder um die Schmelze
thermisch oder im Hinblick auf ihre Zusammensetzung zu homogenisieren
oder um dazu beizutragen, Legierungszusätze durch die Schmelze hindurch
zu verteilen.
-
Gewöhnlich wird
ein inertes Fluid verwendet, jedoch können auch reaktive Fluide verwendet
werden, z.B. reduzierende oder oxidierende Gase, wenn die Schmelzezusammensetzungen
oder Bestandteile derselben einer Veränderung bedürfen. Zum Beispiel ist es gebräuchlich,
Gase wie Stickstoff, Chlor, Freon, Schwefelhexafluorid, Argon und
dergleichen in geschmolzenes Metall zu injizieren, zum Beispiel geschmolzenes
Aluminium oder geschmolzene Aluminiumlegierungen, um unerwünschte Bestandteile wie
Wasserstoffgas, nichtmetallische Einschlüsse und Alkalimetalle zu entfernen.
Die reaktiven Gase, die dem geschmolzenen Metall zugesetzt werden, reagieren
chemisch mit den unerwünschten
Bestandteilen, um sie in eine solche Form wie eine Ausfällung, eine
Krätze
oder eine unlösliche
Gasverbindung umzuwandeln, die mühelos
vom Rest der Schmelze getrennt werden kann. Diese Fluide (oder andere)
könnten
zum Beispiel auch zusammen mit Stahl, Kupfer, Eisen, Magnesium oder
Legierungen davon verwendet werden.
-
Wegen
veränderlicher
Betriebsanforderungen werden zwei verschiedene Arten von Injektionsvorrichtungen
verwendet:
- – poröse Reinigungsstopfen, wo das
Fluid durch unregelmäßig verteilte
und verschiedene Größen aufweisende
Poren strömt,
und
- – Stopfen,
wo die Fluidströmungsrichtung
und auch die Größe der Öffnungen,
durch welche das Fluid geleitet wird, kontrolliert werden. Diese Öffnungen
können
runde Kanäle
oder Bohrungen sein, die entweder getrennt gehalten werden oder miteinander
verbunden sind, oder Schlitze, die, wenn Segmente zusammengesetzt
werden, in einer geraden Linie angeordnet werden können, oder
in einem Kreis, indem man zwei Kegelstümpfe zusammensetzt.
-
Um
eine optimale Reinigung zu erzielen, ist es wünschenswert, dass das Fluid
in das geschmolzene Metall, vorzugsweise vom Boden des Behälters aus,
in Form einer sehr großen
Anzahl von äußerst kleinen
Blasen zugeführt
wird, so dass es die nichtmetallischen Verunreinigungen oder Gase
schnell in die Schlacke transportiert. Mit abnehmender Größe der Gasblasen
nimmt die Anzahl von Blasen pro Volumeneinheit zu. Eine Zunahme
der Anzahl von Blasen und ihrer Oberfläche pro Volumeneinheit vergrößert die
Wahrscheinlichkeit, dass das injizierte Gas wirkungsvoll genutzt
wird, um den erwarteten Reinigungs- oder Spülvorgang durchzuführen. Die
besten Injektionsvorrichtungen, um diesen Reinigungs- oder Spülvorgang
zu erzielen, sind daher poröse
Stopfen.
-
Dort,
wo eine Homogenisierung notwendig ist (d.h. wo Additive verteilt
und aufgelöst
werden müssen),
oder dort, wo ein Temperaturausgleich erzielt werden muss, werden
Reinigungsstopfen verwendet, um das Durchmischen zu unterstützen, indem
große
Gasmengen in das Metallbad geblasen werden. Es hat sich erwiesen,
dass für
diese Anwendungen Reinigungsstopfen mit einer gerichteten Porosität die wirkungsvollste
Alternative sind.
-
Im
Allgemeinen wird die Wahl des Injektionsvorrichtungstyps somit von
den hauptsächlichen
Anforderungen einer spezifischen Anwendung abhängen.
-
Als
Ausgangspunkt für
die vorliegende Anmeldung hatten die Erfinder vor, die Zuverlässigkeit der
Injektionsvorrichtungen vom Typ "Reinigungsstopfen
mit gerichteter Porosität" zu verbessern. Es wird
in der Tat allgemein angenommen, dass ein konstanter Fluidstrom
durch die gerichtete Porosität
notwendig ist, um ein Verstopfen durch das Eindringen von geschmolzenem
Metall zu verhindern. Die Notwendigkeit, die Fluidzufuhr am Ende
jedes Injektionsvorgangs zu unterbrechen, würde daher zu einer Verstopfung
führen
und würde
dazu führen,
dass die Wiederverwendung der Injektionsvorrichtung erschwert, wenn
nicht unmöglich
gemacht wird, speziell wenn der verfügbare Fluiddruck nicht ausreichend ist,
um die Fluiddurchlässe
bzw. Fluidkanäle
wieder zu öffnen.
Allgemein wird angenommen, dass unterhalb von 10 bar ein Risiko
besteht, dass sich Injektionsvorrichtungen vom Typ "Reinigungsstopfen
mit gerichteter Porosität" nicht öffnen könnten. Um
dieses Problem zu vermeiden, lehrt die Japanische Patentanmeldung
(Kokai) 60-46312
zum Beispiel, nur eine Massenporosität zu verwenden, um eine Durchmischung
zu unterstützen.
-
Das
Europäische
Patent 424,502 spricht dieses Problem bereits an und schlägt einen
Gasinjektor mit Gasdurchlässen
vor, die als Kapillarbohrungen oder -schlitze in einer Stange ausgebildet
sind, welche aus einem für
Gas undurchlässigen
Feuerfestmaterial besteht. Die Kapillarbohrungen oder -schlitze
sind von einer solch kleinen Abmessung, dass im Gebrauch das geschmolzene
Metall im Wesentlichen nicht in der Lage ist, in die Durchlässe einzudringen.
-
Obwohl
diese Injektionsvorrichtung bei der Verlässlichkeit einer Fluidinjektion
in einen metallurgischen Behälter
bereits einen großen
Schritt vorwärts
dargestellt, ist es wünschenswert
alternative Injektionsvorrichtungen zu finden. Idealerweise sollte eine
solche Injektionsvorrichtung zumindest der Verlässlichkeit des im Europäischen Patent
424,402 offenbarten Gasinjektors entsprechen und durch konventionelle
Techniken und mit konventionellen Materialien wirtschaftlich und
einfach produziert werden können.
Es sollte auch möglich
sein, diese Injektionsvorrichtung selbst dann zu öffnen, wenn
der höchste verfügbare Fluiddruck
relativ niedrig ist (zum Beispiel niedriger als 10 bar).
-
Die
Deutsche Patentanmeldung DE-A1-1,101,825 offenbart eine Injektionsvorrichtung
zur Zufuhr eines Fluids in einen metallurgischen Behälter mit
einer Feuerfestauskleidung, wobei die Vorrichtung
- – herausnehmbar
in die Auskleidung einsetzbar ist;
- – einen
ersten Feuerfestkörper
und einen zweiten Feuerfestkörper
umfasst, die passend zusammengesetzt sind, wobei der erste und der
zweite Körper
jeweils eine Oberfläche
aufweisen, die angepasst ist, um mit geschmolzenem Metall in Kontakt
zu treten; und
- – Fluiddurchlässe aufweist,
die sich von Fluidzufuhreinrichtungen bis zu einer Oberfläche erstrecken,
die angepasst ist, um mit geschmolzenem Metall in Kontakt zu treten,
und Fluiddurchlässe im
ersten Körper
und im zweiten Körper
umfasst, wobei der relative Strömungswiderstand
der Fluiddurchlässe
des zweiten Körpers
höher als
derjenige der Fluiddurchlässe
des ersten Körper
ist.
-
Erfindungsgemäß sind die
Fluiddurchlässe im
ersten Körper
von den Fluiddurchlässen
im zweiten Körper
unabhängig.
Man hat in der Tat beobachtet, dass wenn die gerichtete Porosität des ersten Körpers mit
den Fluiddurchlässen
des zweiten Körpers
verbunden ist, wie in der DE-A1-1,101,825 offenbart – zum Beispiel
wenn Schlitze des ersten Körpers
zum zweiten Körper
direkt benachbart sind – dies
zur Trennung der Körper
führen
könnte.
Insbesondere dann, wenn einer der Körper in einen anderen Körper eingesetzt
ist, führt
dies zu einem Herausblasen des umgebenen Körpers.
-
Erfindungsgemäß sind die
Fluiddurchlässe des
ersten Körpers – die somit
allgemein weitere Öffnungen
aufweisen – nach
einer Unterbrechung der Fluidzufuhr anfälliger gegen Verstopfung. Wenn
der Fluiddruck an der Injektionsvorrichtung angelegt wird, wird
das Fluid daher zuerst durch den zweiten Körper in das geschmolzene Metall
zugeführt,
falls die Injektionsvorrichtung bereits benutzt worden ist und einige
Metallreste auf ihrer Oberfläche
die Fluiddurchlässe
des ersten Körpers
blockieren. Während der
Druck allmählich
zunimmt, nimmt die Strömungsmenge durch
den zweiten Körper
zu, bis die Fluidsäule
beginnen wird, auf die Kontaktfläche
des ersten Körpers
mit dem geschmolzenen Metall zu prallen, und zwar durch eine Erscheinung
eines Rückwärtsangriff-Fluidstroms,
der eine Bewegung des geschmolzenen Metalls hervorruft.
-
Schließlich wird
dieser Angriff der Kontaktfläche
des ersten Körpers
mit dem geschmolzenen Metall zum Befreien und Öffnen der Fluiddurchlässe des ersten
Körpers
führen.
Da der relative Strömungswiderstand
der Fluiddurchlässe
des zweiten Körpers höher ist
als derjenige der Fluiddurchlässe
des ersten Körpers,
wird das Fluid dazu neigen, dem Weg des geringsten Widerstandes
zu folgen und wird daher durch die Fluiddurchlässe des ersten Körpers strömen, während der
zweite Körper
im Wesentlichen aufhören
wird, einen Fluiddurchlass zu ermöglichen. Dies wird es ermöglichen,
dass eine höhere
Strömungsmenge
in das geschmolzene Metall gelangt, mit sämtlichen der oben aufgelisteten
Vorteile des Reinigungsstopfens mit gerichteter Porosität.
-
Vorzugsweise
sind die Fluidzufuhreinrichtungen für die Fluiddurchlässe des
ersten und zweiten Körpers
gemeinsame Fluidzufuhreinrichtungen.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung werden die Fluiddurchlässe
des ersten und des zweiten Körpers
unterschiedlich gebildet, so dass die relativen Strömungswiderstände dieser
Fluiddurchlässe
in geeigneter Weise gesteuert werden können. Vorteilhafterweise wird
der zweite Körper von
einem für
Fluid durchlässigen
Feuerfestmaterial gebildet, d.h. einem Material, das unter den Bedingungen
des Gebrauchs für
das besagte Fluid porös ist.
Vorteilhafterweise wird der zweite Körper aus einem gepressten Feuerfestmaterial
hergestellt, dessen Granulometrie so festgelegt wird, dass die gewünschte Porosität erzielt
wird.
-
Die
Erfinder haben in der Tat beobachtet, dass der zweite Körper, der
aus einem Feuerfestmaterial hergestellt wird, das für das zu
injizierende Fluid durchlässig
ist, viel weniger anfällig
gegen ein Eindringen von geschmolzenem Metall ist als die Fluiddurchlässe im ersten
Körper,
und dass folglich während
des anfänglichen
Strömens
des Fluids die von der porösen
Anordnung des zweiten Körpers
gebildeten Fluiddurchlässe
leichter frei werden und sich öffnen
als die Fluiddurchlässe
im ersten Körper.
Mit anderen Worten ist ein niedrigerer Druck notwendig, um die Fluiddurchlässe im zweiten
Körper
frei zu machen und zu öffnen.
-
Ein
weiterer Vorteil, der bei dieser bevorzugten Ausführungsform
in unerwarteter Weise beobachtet worden ist, ist der folgende: wenn
das Eindringen von Metall in die Fluiddurchlässe des ersten Körpers zu
stark ist, so dass sich diese Fluiddurchlässe unter der Einwirkung des
aus dem für
Fluid durchlässigen
zweiten Körper
strömenden
Rückwärtsangriff-Fluidstroms nicht
mehr direkt öffnen,
dann wird eine gewisse Zeit lang das gesamte Fluid durch den zweiten
Körper
injiziert. Dies führt
dazu, dass sich die Oberfläche
des zweiten Körpers
zu einem gewissen Maß abnutzt.
Wenn sich der zweite Körper
bis unter das Niveau der Oberfläche
des ersten Körpers
zurück
abgenutzt hat, führt
dies wiederum dazu, dass eine Oberflächenschicht des ersten Körpers oberhalb
von der verbleibenden Oberfläche
des zweiten Körpers
schwächer
wird und leichter wegbricht. Nachdem schließlich die verstopfte Oberfläche des ersten
Körpers
weggebrochen ist, werden die Fluiddurchlässe des ersten Körpers frei
gemacht und können
sich nun leicht öffnen.
Es wird angenommen, dass dies aus der Tatsache resultiert, dass
ein für Fluid
durchlässiges
Feuerfestmaterial anfälliger
gegen Abnutzung ist.
-
Zahlreiche
Anordnungen des ersten und zweiten Körpers in der Injektionsvorrichtung
können in
Betracht gezogen werden. Zum Beispiel kann der zweite Körper als
ein ringförmiger
poröser
Ring ausgebildet werden, der einen ersten Körper umgibt, der in einem für Fluid
undurchlässigen
Material ausgebildete Schlitze umfasst. Jedoch ist der oben erörterte Vorteil
besonders spürbar,
wenn der zweite Körper passend
in den ersten Körper
eingesetzt wird, vorzugsweise in der Mitte des ersten Körpers, so
dass das Abnutzungsmuster der mit dem geschmolzenen Metall in Kontakt
tretenden Oberfläche
der Injektionsvorrichtung über
diese Oberfläche
hinweg gleichförmiger
ist. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind
die Fluiddurchlässe
im ersten Körper vom
Mittelpunkt des zweiten Körpers
aus radial ausgerichtet, so dass sämtliche der Fluiddurchlässe des ersten
Körpers
durch die Oberflächenabnutzung,
die aus dem aus dem zweiten Körper
strömenden
Fluid resultiert, gleich stark beeinflusst werden. Nichtsdestotrotz
kann es aus konstruktiven und wirtschaftlichen Gründen vorteilhaft
sein, die Abmessung des zweiten Körpers zu maximieren. Deshalb
betrifft die Erfindung auch eine Injektionsvorrichtung, bei der
die Fluiddurchlässe
im ersten Körper
im Wesentlichen parallel zur Grenzfläche zwischen dem ersten und dem
zweiten Körper
angeordnet sind, so dass der zweite Körper mehr Raum einnehmen kann.
Der zweite Körper
kann einen runden oder polygonalen Querschnitt aufweisen.
-
Bei
einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der erste Körper aus
einem Feuerfestmaterial hergestellt, das für das Fluid weniger durchlässig ist
als das Material des zweiten Körpers,
zum Beispiel einem gießbaren
Material, und die durch ihn hindurchgehenden Fluiddurchlässe werden
von Schlitzen oder Bohrungen gebildet, vorzugsweise von kontrollierter
Richtung und mit kontrollierten Öffnungsgrößen.
-
Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
besser beschrieben, die nur zum Zweck einer Veranschaulichung der Erfindung
bereit gestellt werden, und nicht um ihren Umfang einzuschränken. 1 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Injektionsvorrichtung
und 2 ist eine Oberseitenansicht der in 1 dargestellten
Injektionsvorrichtung. 3 ist eine
Oberseitenansicht einer Variante der Injektionsvorrichtung.
-
In
diesen Figuren ist die Injektionsvorrichtung (1) in die
Auskleidung eines metallurgischen Behälters (nicht dargestellt) eingesetzt,
wobei ihre mit geschmolzenem Metall im Kontakt befindlichen Oberflächen (4, 5)
mindestens niveaugleich mit der Oberfläche der Auskleidung sind. Die
Injektionsvorrichtung besteht aus mindestens einem ersten und einem
zweiten Körper
(2, 3), die passend zusammengesetzt sind. Zumeist
ist die Injektionsvorrichtung in einer Metalldose (9) eingehüllt. Der
erste Körper
(2) umfasst Fluiddurchlässe
(6), – von
Schlitzen gebildet – ,
die sich von Fluidzufuhreinrichtungen (8) bis zu seiner
im Kontakt mit geschmolzenem Metall befindlichen Oberfläche (4)
erstrecken. Der zweite Körper (3)
umfasst Fluiddurchlässe
(7), – durch
die Porosität des
Materials gebildet -, die sich von seiner im Kontakt mit geschmolzenem
Metall befindlichen Oberfläche
(5) bis zu Fluidzufuhreinrichtungen (8) erstrecken.
Bei der Ausführungsform
aus 2, erstrecken sich die Fluiddurchlässe 6 von
einem Mittelpunkt des zweiten Körpers
aus in radialer Richtung. Bei der Ausführungsform aus 3 sind
die Fluiddurchlässe 6 im
Wesentlichen parallel zur Grenzfläche zwischen dem ersten und
dem zweiten Körper (2, 3)
angeordnet. Bei der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform werden die Fluidzufuhreinrichtungen
(8) von einer Verteilerkammer gebildet, die mit einem Fluidspeiserohr
(nicht dargestellt) verbunden ist.
-
Es
ist beobachtet worden, dass ein Fluiddruck von 6 bis 9 bar ausreichend
ist, um die Fluiddurchlässe
der erfindungsgemäßen Injektionsvorrichtung
zu öffnen.