DE6606948U - Stopfenpfanne - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. H. Sauerland · Dr.-Ing. R. König Patentanwälte ■ 4dqd Düsseldorf ■ Cecilienallee 76 Telefon 433732

12. Juni 1970 U 5255/31c Gbm IIl/Fu/21971

The United Steel Companies Limited, The Mount, Broomhill, Sheffield 10, Yorkshire, England

"Stopfenpfanne"

Die Erfindung bezieht sich awf eine Stopfenpfanne, wie sie beim Gießen von Stahl oder anderen Metallschmelzen benutzt werden. Beim Gießen fließt das Metall durch einen oder mehrere Ausgüsse im Pfannenboden, wobei normalerweise jeder Ausguß mit einem feuerfesten Stopfen verschlossen ist.

Bei sämtlichen Gießverfahren soll die Ausflußgeschwindigkeit konstant oder einstellbar sein. Die tatsächliche Gießgeschwindigkeit hängt normalerweise im wesentlichen vom Querschnitt des Ausgusses und der Höhe des Badspiegels über dem Ausguß ab, d.h. beim Gießen von Stahl von der ferrostatischen Höhe. Mit der Zahl der Abgüsse vergrößert sich der Öffnungsquerschnitt des Ausgusses infolge der Erosion und des chemischen Angriffs durch die Bestandteile der Schmelze, insbesondere bei Stahlschmelzen, und außerdem verringert sich beim Pfannengießen fortlaufend die ferrostatische Höhe.

Unter der großen Zahl der in Gebrauch befindlichen Ausgüsse und Stopfen hat die Mehrzahl eine Reihe von Merkmalen gemeinsam. Der Ausguß besteht im wesentlichen aus einem feuerfesten Formkörper mit einer zylindrischen Bohrung, die sich nach außen zu einer trompetenförmigen Öff-

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nung am oberen Ende der Bohrung erweitert, während der Sitz des Stopfens halbkugelförmig ausgebildet ist. Bei einem derartigen Stopfen und Ausguß beginnt das Ausfließen des Metalls, unmittelbar nachdem der Stopfen aus seinem Sitz angehoben wird, während der Gießstrahl unterbrochen v/ird, wenn der Stopfen auf seinen Sitz abgesenkt wird; die Berührungsflächen arbeiten zufriedenstellend, auch "wenn sich ein beträuh&licheF StöpJfenveFSChlciß uUFCh u«5 ausfließende Metall ergibt. Sämtliche bekannten Ausgüsse und Stopfen arbeiten nach dem Auf-Zu-Prinzip.

Ein Stopfen mit halbkugelförmigem Sitz ist Jedoch zur Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit des Metalls ungeeignet, da eine geringe Stopfenbewegung zu einer großen Änderung des Austrittsspaltes zwischen Stopfen und Ausguß führt. Bestimmte Versuche sind durchgeführt worden, um einen Ausguß so zu gestalten, daß der Abfall der ferrostatischen Höhe durch den Ausgußverschleiß kompensiert wird und sich eine konstante Gießgeschwindigkeit ergibt. Diese Versuche haben jedoch zu keinem befriedigenden Ergebnis geführt, da sich insbesondere neue 'Schwierigkeiten daraus ergaben, daß jeweils spezielle {Ausgüsse für jeden Stahltyp und jede Gießtemperatur er-■!forderlich waren.

Um ein allzu starkes Streuen des Gießstrahls beim Verlassen des Ausgusses zu vermeiden, ist durch das britische Patent 917 565 bereits vorgeschlagen worden, den Stopfen so auszubilden, daß er in den Ausguß hineinragt, und die Ausgußbohrung in Strömungsrichtung zu verengen, wobei der Stopfen konisch ausgebildet und sein Neigungswinkel geringer ist als der Neigungswinkel des entsprechend konisch ausgebildeten Teils der Bohrung.

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Erfindungsgemäß wird nun ein Stopfen vorgeschlagen, der ebenfalls in den Ausguß hineinragt, wobei Stopfen und Ausguß jedoch so ausgebildet sind, daß sich beim Anheben des Stopfens ein Ringraum ergibt, dessen Querschnitt sich in dem Maße vergrößert, wie der Stopfen angehoben wird. Da der Querschnitt des Ringraums sich somit entsprechend der Stopfenbewegung verändert, ist es möglich, den Gießstrahl durch Anheben des Stopfens zu regulieren. Der Stopfen und die Ausgußbohrung berühren in der Schließstellung einander in einer schmalen Zone am oder in der Nähe des oberen Endes der Bohrung, während die Oberflächen von Stopfen und Ausgußbohrung sich in der Schließstellung in Strömungsrichtung unmittelbar unter der Berührungszone voneinander \<regbewegen und sich die Oberfläche der Ausgußbohrung unmittelbar oberhalb der Berührungszone nach außen vom Stopfen wegbewegt. Die Tatsache, daß Stopfen und Ausgußbohrung, ausgehend von der Kontaktzone, in Strömungsrichtung divergieren_f ist in der Praxis außerordentlich wichtig, da festgestellt wurde, daß bei einer im Vergleich zur Ausgußbohrung geringeren Neigung des Stopfens das Metall bei einer Unterbrechung des Gießens im Bereich des Stopfens in der Ausgußbohrung festgehal_v , ten wird und zum Einfrieren tendiert, so daß der Stopfen nicht mehr angehoben werden kann. Es ist außerordentlich

»t wichtig, daß es zu keinem derartigen Metalleinschluß kommt, sondern im Gegenteil das gesamte Metall nach Verlassen der Kontaktzone frei nach unten abfließen kann. Bei einer großen Kontaktzone, wie sie sich bei einem tief in den Ausguß hineinragenden stumpfkonischen Stopfen und einer entsprechenden Ausgußbohrung mit beiderseits übereinstim-,.jnender Konizität ergibt, wird häufig ein Metallfilm zwischen Stopfen und Ausguß eingeschlossen und erstarrt dort in ähnlicher Weise. Demzufolge ist die Berührungszone bei dem erfindungsgemäßen Stopfen und Ausguß im Verhältnis zur Gesamtlänge des Stopfens klein. Wenn die

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^; Oberfläche des Stopfens und der Ausgußbohrung im

j der Kontaktzone rund ausgebildet sind, reduziert sich

die Kontaktzone theoretisch bis auf eine Linie. Vorzugs-•⁵ weise sind jedoch Stopfen und Ausgußbohrung'stumpfkonisch

mit gleicher Konizität im Bereich der Kontaktzone, während

J. unmittelbar unterhalb der Kontaktzone die Konizität der

1 Ausgußbohrung geringer ist als diejenige des Stopfens,

I fnedde Teile jedoch weiterhin stumpfkonisch sind.

j Obgleich jegliches Metall oberhalb der Kontaktzone sich

* in der Schließstellung des Stopfens im Kontakt mit der

i Pfannenschmelze befindet, ist es doch wichtig, daß ober-

I halb der Kontaktzone jeder kleine Zwischenraum vermieden

♦ ,. wird, in dem das Metall schnell abkühlen könnte. Jemzu- |5 folge liegt die Berührungszone direkt am Kopf der Aus-

r gußbohrung oder unmittelbar in deren Nähe bzw. erweitert J: sich die Oberfläche der Ausgußbohrung unmittelbar Oberin halb der Berührungszone vom Stopfen nach außen. I

1 Wenn der Gießstrahl bzw. die Gießgeschwindigkeit durch

'den Stopfen genau geregelt werden soll, ist es wichtig, daß die Ausgußbohrung genau dimensioniert ist und im Verlauf der einzelnen Abgüsse weder verschließt noch verkrustet. Die feuerfesten Materialien aus denen Stopfen und Ausgüsse hergestellt werden, sind außerordentlich unterschiedlich. Einige feuerfeste Materialien unterliegen einer sehr starken Erosion durch den flüssigen Stahl, während andere zum Verkrusten neigen, d.h. sie bilden einen Überzug aus festem Stahl. Stopfen und Ausguß werden normalerweise gebrannt, womit im allgemeinen eine gewisse Schwindung verbunden ist, die zu einer Zerstörung führen kann. Aus diesem Grunde ist esjsehr schwierig, Stopfen und Ausguß genau zu dimensionieren, d,h. mit einer - 2% übersteigenden Genauigkeit.

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Obgleich man bislang stets der Auffassung war, daß der Ausguß vor dem Gießen gebrannt werden muß, wurde überraschenderweise festgestellt, daß der Ausguß bei Herstellung aus einem bestimmten feuerfesten Material nicht gebrannt zu werden braucht und trotzdem eine ausreichende Festigkeit beim Gießen besitzt und seine Form beibehält. Derartige Ausgüsse können dann auch mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Vorzugsweise besteht der Ausguß daher aus einem grünen, d.h. nicht gebrannten feuerfesten Material, aus dem der Ausguß mit den gewünschten genauen Dimensionen hergestellt wird. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß ungebrannte Ausgüsse billiger sind als gebrannte aus demselben feuerfesten Material, und zwar nicht nur v/eil das Brennen fehlt, sondern auch, weil das Brennen immer zu einem bestimmten Prozentsatz Ausschuß führt, beispielsweise als Folge der Schwindung, des Reißens und übermäßigen Verziehens„

Das Material, aus dem ein grüner, ungebrannter Ausguß hergestellt wird, sollte einen sehr geringen Verschleiß besitzen, da sonst die ursprünglich genaue Dimensionierung im Verlauf mehrerer Abgüsse verlorengeht. Es wurde festgestellt, daß eine Reihe von Werkstoffen hierfür geeignet sind, unter denen sich Aluminiumsilikat-Verbindungen mit 60% oder mehr Tonerde, geschmolzene oder gesinterte Magnesia (allgemein unter dem Ausdruck "totgebrannter Magnesit" bekannt), Chrommagnesit, Magnesitchrom, geschmolzenes stabilisiertes Zirkonoxyd (ZrO₂), Zirkonium, Zirkoniumsilikat, Siliziumkarbid und graphitisierte Mischungen auf Basis Ton mit mehr als 25% Tonerde befinden. Von den vorgenannten Werkstoffen ist totgebrannter Magnesit insofern vorzuziehen, als er nur einem geringen Abrieb durch den flüssigen Stahl unterliegt und verhältnismäßig

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"billig ist. Dabei sollte der Magnesit jedoch von hoher Qualität sein und wenigstens 85% MgO enthalten. Ein besonders geeigneter Magnesit besitzt folgende Zusammensetzung:

85,0 bis 98,0 % MgO
0,5 bis 3,0 %
0,2 bis 2,0 % ₂
0,2 bis 7,0 % Fe₂O₃
0_?5 bis 3,0 % CaO.

Andere besonders geeignete Magnesite enthalten 91,5% MgO, 6,5% Fe₂O₃, 1,4% CaO, 0,9% SiO₂ und 0,5% Al₂O₃. Die aus diesen bevorzugten Magnesiten hergestellten Ausgüsse können mit einem Überzug aus kohlenstoffhaltigem Ton versehen v/erden, um eine Verkrustung zu verhindern.

Die Herstellung ungebrannter Magnesitsteine, wie sie für die erfindungsgemäßen Ausgüsse benutzt werden, ist allgemein bekannt, hochprozentiger Magnesit wird dabei zerkleinert, gesiebr. und dann mit einer kleinen Menge eines sauren Bindemittels, beispielsweise Salzsäure, Schwefelsäure oder Sulfitlauge vermischt. Die Mischung wird dann zu Formungen gepreßt und getrocknet, beispielsweise bei 150⁰C, um ein zusammenhängendes und formbeständiges Produkt zu erzeugen. In diesem Zustand werden die erfindungs gemäßen Ausgüsse vorzugsweise benutzt.

Die Stopfen können auch im ungebrannten Zustand benutzt v/erden, doch werden sie vorzugsweise in der üblichen Weise gebrannt. Es wurde festgestellt, daß ein ungebrannter Stopfen bei einom zu schnellen Absenken in Richtung auf den Ausguß zum Brechen neigt. Der Stopfen wird daher vorzugsweise aus einem gebrannten mit Graphit versetzten Alu miniumsilikatton hergestellt, der gleichmäßig und mit

geringer Geschwindigkeit verschleißt. Da das Stopfenprofil trotz Verschleiß im wesentlichen erhalten bleibt, ragt der Stopfen mit zunehmendem Verschleiß nur tiefer in den Ausguß hinein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten AusfüLrungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen;

'Pig. 1 einen erfindungsgemäßen Stopfen mit dem entsprechenden Ausguß und

Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Teil einer Stopfenpfanne mit dem Hebeigestange zum Anheben des Stopfens.

Im Pfannenboden befindet sich der Ausguß 1 aus grünem, getrocknetem, jedoch ungebranntem feuerfestem Material. Er besitzt eine Bohrung 2 mit einem kurzen stumpfkonischen Teil 3 mit 6C° Neigung, der in einen stumpfkonischen Teil 4 mit einem Neigungswinkel von 47,5° übergebt-, der sich seinerseits in einem stumpfkonischen Teil 5 fortsetzt, der den Hauptteil des Ausgusses ausmacht.

Der Stopfen 6 besitzt einen oberen stumpfkonischen Teil 7 und einen unteren stumpfkoniscnen Teil 8 mit einem Neigungswinkel von 60°.

In der Schließstellung befindet sich der Stopfenteil 8 in Berührung mit dem Ausgußteil 3. Beim Abheben des Stopfens (wie in Fig. 1 dargestellt) ergibt sich ein Ringraum 9 zwischen den Teilen 8 und 3, dessen lichte Weite die Ausflußgesohwindigkeit des unter einem gegebenen ferrostatischen Druck durch den Ausguß ausfließenden Metalls bestimmt.

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Aus der Zeichnung ergibt sich, daß unmittelbar unterhalb der Kontaktzone sowohl Stopfen als auch Ausguß stumpfkonisch sind, wobei jedoch der Neigungswinkel des Bohrungsteils 4 mit 47,5° geringer ist als der Neigungswinkel des entsprechenden Stopfenteils unterhalb der Kontaktzone mit 60°.

Oberhalb des Bohrungsteils 4 weitet sich die Bohrung zu einem Trichter 10 aus. Demzufolge befindet sich in der Schließstellung praktisch kein Zwischenraum oberhalb der Kontaktzone, in dem Metall erstarren könnte. Statt die Kontaktzone nahe am oberen Ende der Ausgußbohrung, jedoch nicht direkt am Bohrungsende anzuordnen, kann sie auch direkt am Bohrungskot>f liegen, wobei dann die Wand der Ausgußbohrung in diesem Bereich rechtwinklig in bezug auf die Stopfenachse abgewinkelt ist, wie das in Fig. 1 mit der gestrichelten Linie 11 angedeutet ist.

Der stumpfkonische Teil 8 des Stopfens erstreckt sich über den größten Teil der Stopfenlänge, jedoch nicht über den gesamten Stopfen, soweit er in der Ausgußbohrung liegt. Der Teil 8 des Stopfens geht in eine konkave Oberfläche 12 über, die in einer Nase 13 mit kreisförmigem Querseiinitt ausläuft. Diese Stopfenausbildung ist im Hinblick auf eine Verringerung der Turbulenz von großer Bedeutung und großem Vorteil. Es wurde festgestellt, daß sich eine derartige Turbulenz ergibt, wenn das freie Ende des Stopfens konisch ist, während bei der dargestellten Form der sich von ihm lösende Gießstrahl einen hohlen Kern besitzt und von der Ausgußbohrung 2 im wesentlichen clme Turbulenz vorv/ärts-abwärts abgeht.

Es ist allgemein üblich, den Stopfen mit einem Höbelgestänge auszustatten. Das Hebelgestänge (vgl. Fig. 2)

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ist mit der Gießpfanne 14 verbunden. Zur Verbindung mit dem Hebelgestänge besitzt der Stopfen eine Gewindebohrung 15 zur Aufnahme einer Stopfenstange 16, die mittels eines horizontalen Quergliedes 17 und einer vertikalen, in Führungen 19, 20 geführten Zwischenstange 18 angehoben werden kann. Ein Hebel 21 ist bei 22 schwenkbar an einem Ansatz der Führung 20 befestigt und gabelförmig ausgebildet, Um 61Πδΰ νκ'ΰοΓι/ΟχΞθΰ c-f o\X STxaSSSuj \χδΧ* 3j.Ch uxirCii, uSS Uli— tere Ende der Zwischenstange 18 erstreckt. Durch Abwärtsschwenken des Hebels 21 kann die Stopfenstange mitsamt dem Stopfen angehoben v/erden. Insoweit ist das Hebelgestänge von herkömmlicher Art, nach der Erfindung soll die Stopfenbewegung jedoch so begrenzt sein, daß sich die Stopfenkuppe 13 nicht aus der Ausgußbohrung herausbewegt. Dies wird dadurch sichergestellt, daß Mittel zur Begrenzung der Bewegung des Hebelgestänges vorgesehen sind. Die Schwenkbewegung des Hebelarms 21 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Führung 20 begrenzt, die in der oberen Endstellung des Stopfens am Hebelarmende anliegt.

Bei allen Gießverfahren ist die Steuerung der Gießgeschwindigkeit wünschenswert, so daß die erfindungsgemäße Stopfenpfanne beim Gießen unter Luft, beim Vakuumgießen oder Entgasen benutzt werden kann, bei dem die Gießstrahlregulie- *>ung von großer Wichtigkeit ist. Die Gießgeschwinuigkeit kann gegebenenfalls stetig oder stufenweise geändert v/erden, wobei es sehr einfach ist, die einzelnen Stellungen des Stopfens in bezug auf den Ausguß in Abhängigkeit der Ausflußgeschwindigkeit des Metalls zu eichen. Ein besonderer Vorteil der genauen Einstellung der Gießgeschwindigkeit besteht darin, daß für den Fall einer Abweichung der Gießtemperatur vom üblichen Wert geringe Abweichungen durch eine entsprechende Änderung der Gießgeschwindigkeit

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ausgeglichen v/erden können. Ein anderer Vorteil liegt darin, daß die Anzahl unterschiedlicher Ausgüsse, die auf Lager gehalten v/erden müssen, um mitjunterschiedlichen Geschwindigkeiten zu gießen, verringert wird, da eine Ausgußgröße für verschiedene Gießgeschwindigkeiten durch eine entsprechende Ausgußgestaltung benutzt werden kann.

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Claims (7)

Tile United Steel Companies Limited, The Mount, Broomhill, Sheffield 10, Yorkshire, England Schutzansprüche:

1. Stopfenpfanne zum Gießen von Stahl und Metallen mit einem an einer durch ein Hebeigestange "betätigten Stopfenstange sitzenden und in die Bohrung eines Ausgusses hineinragenden Stopfen, dadurch gekennzeichnet , daß die Konizität (8) des Stopfens (6) und der Ausgußbohrung (2) beim Anheben des Stopfens (6) einen sich mit der Stopfenbewegung im Querschnitt vergrößernde.·'' Ringraum (9) ergibt und der Stopfen (6) in der Schließstellung dio Ausgußbohrung in einer kleinen Zone am oberen Ende oder im geringen Abstand des oberen Endes der Ausgußbohrung (2) berührt, wobei die Oberflächen von Stopfen (6) und Ausgußbohrung (2) in der Schließstellung unmittelbar unterhalb der Kontaktzone (3, 8) in Strömungsrichtung divergieren und die Oberfläche (10) der Ausgußbohrung (4, 5) sich unmittelbar der Kontaktzone (3, 8) vom Stopfen (6) nach auswärts erweitert.

2. Stopfenpfanne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausguß (1) aus einem grünen getrockneten, jedoch nicht gebrannten feuerfeston Material besteht.

3. Stopfenpfanne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausguß (1) aus einem totgebrannten Magnesit mit wenigstens 85% Magnesiumoxyd besteht.

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4. Stopfenpfarme nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Stopfen (6) aus einem gebrannten, feuerfesten Material hergestellt ist.

5. Stopfenpfanne nach den Ansprüchen 1 bis 4, d a dur ch gekennzeichnet , daß der Stopfen (6) und die Ausgußbohrung (2) stumpfkonisch mit gleicher Konizität im Bereich der Kontaktzone (3, 8) und im Vergleich ^um ^topfen (6) kleinerem Neigungswinkel der Ausgußbohrung (2) unmittelbar unterhalb der Kontaktzone (3, 8) ausgebildet sind.

6. Stopfenpfanne nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Stopfen (6) in seinem in der Ausgußbohrung (2) liegenden Teil im wesentlichen stumpfkonisch ist und in eine konkave Oberfläche (12) übergeht, die in eine Nase (13) mit kreisförmigem Querschnitt übergeht.

7. Stopfenpfanne nach den Ansprüchen 1 Ms 6, gekennzeichnet durch einen die Bewegung des Stopfens (6) begrenzenden Anschlag (20).

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