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Die vorliegende Erfindung betrifft metallurgische
Eintauchausgussdüsen (Eintauchausgüsse), das bedeutet
Ausgussdüsen, von denen ein Teil, typischerweise das stromabwärts
gerichtete Ende, bei Benutzung in ein Becken geschmolzenen Metalls
eingetaucht ist. Die Erfindung betrifft insbesondere sogenannte
Eintauchausgüsse (SEN's) zum Ausgießen flüssigen Metalls, das
bedeutet Ausgussdüsen, welche geschmolzenen Stahl von einer
Gießwanne (tundish) oder einem anderen metallurgischem Behälter in
eine Form (Kokille) leitet, typischerweise eine Stranggussform,
aus der das erstarrte Metall kontinuierlich abgezogen wird. Die
Erfindung betrifft jedoch auch andere Arten von Ausgussdüsen, wie
sogenannte Abschöpfbleche, um geschmolzenen Stahl von einem
metallurgischen Behälter in eine Gießwanne zu leiten, dessen
stromabwärts gerichtetes Ende ebenfalls bei Benutzung in
geschmolzenes Metall eingetaucht wird.
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Beim Stranggießen von Stahl wird Stahl
kontinuierlich in das obere offene Ende der Form über eine
SEN eingeführt, deren unteres Ende in das Metall der
Form eingetaucht ist. Die Oberfläche des Stahls in der
Form ist also der Luft ausgesetzt und somit
Rückoxidation unterworfen. Um dies zu verhindern und um den
Hitzeverlust über die ausgesetzte Oberfläche zu
vermindern, wird die Oberfläche der Stahlschmelze
typischerweise durch eine isolierende Pulverschicht abgedeckt,
welche aus einer Kombination aus Flussmitteln oder
Gläsern mit Kohle, Siliziumdioxid und Aluminiumoxid
besteht. Das Pulver schmilzt zu einer glasartigen
Schicht, welche die Oberfläche der Stahlschmelze
abschirmt und isoliert und dazu neigt, zwischen
Stahlschmelze und den wassergekühlten Seiten der Form
hinuntergezogen zu werden und so als Schmiermittel zu
dienen. Diese geschmolzene glasartige Schicht hat
jedoch eine hoch aggressive und korrosive Neigung in
Bezug auf das Material der SEN. Die äußere Oberfläche
der SEN neigt dazu, durch die glasförmige Schicht an
der Schlackenlinie schnell weg zu erodieren, d. h. in
dem Bereich, in dem die SEN durch die Oberfläche der
Stahl- und Glasschmelze stößt, und diese Erosion
begrenzt die Betriebslebensdauer der SEN und macht es
notwendig, dass sie relativ häufig ersetzt wird.
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SEN's für den Stahlguss bestehen
typischerweise aus einer Mischung aus Aluminiumoxid und Graphit.
Das Graphit wird hinzugefügt, um dem Aluminiumoxid
Thermoschockbeständigkeit zu verleihen, weil
ersichtlich sein wird, dass bei Beginn des Betriebes, auch
wenn die SEN, was üblich ist, vorgeheizt ist, eine
relativ kalte SEN mit geschmolzenem Stahl bei einer
Temperatur von ca. 1550ºC in Kontakt kommt, was einen
sehr kräftigen Thermoschock darstellt. Reines
Aluminiumoxid würde dazu neigen, zu reißen, wenn es diesem
Thermoschock ausgesetzt wird, aber Graphit hat einen
hohen Wärmeleitkoeffizienten und ist daher bestrebt,
den Ausgleich von Wärmegradienten zu beschleunigen und
hat auch beträchtliche Gleiteigenschaften und
ermöglicht somit kleine Relativbewegungen der
Aluminiumoxidpartikelbestandteile einer SEN, ohne dass Risse
auftreten.
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Das Vorhandensein von Graphit im
Aluminiumoxid verringert allerdings die Beständigkeit gegen
Erosion durch die glasförmige Schicht an der
Schlackenlinie durch ihren Einfluss auf die
Bindematrix. Dementsprechend muss der Graphitanteil so hoch
wie möglich sein, um eines der notwendigen Merkmale der
SEN's zu bilden, nämlich die Thermoschockbeständigkeit,
und so niedrig wie möglich, um das andere notwendige
Merkmal zu erreichen, nämlich Erosionsbeständigkeit an
der Schlackenlinie. Der Aufbau und die Zusammensetzung
aller SEN's setzt sich somit notwendigerweise aus einem
Kompromiss aus diesen beiden sich widersprechenden
Anforderungen zusammen.
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Mehrere verschiedene Konstruktionen von SEN
sind in der Bemühung, diese Probleme zu minimieren,
vorgeschlagen und verwendet worden und bestimmte von
diesen sind in Fig. 1 schematisch abgebildet.
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Fig. 1a zeigt eine einfache SEN, welche aus
einem gleichmäßigen Aluminiumoxid-Graphit-Aufbau
besteht, dessen unteres Ende in ein Becken von
Stahlschmelze 2 getaucht ist, auf welcher eine glasartige
Schutzschicht 4 geschmolzenen Formpulvers schwimmt. Wie
man sehen kann, ist der Körper 6 der SEN an der
Schlackenlinie ganz beträchtlich erodiert und die
Abnutzungs- oder Erosionsrate liegt typischerweise
zwischen 7 und 10 mm pro Stunde. Die Zusammensetzung
solcher Düsen umfasst 40 bis 65 Gew.-%, üblicherweise 51
Gew.-% AL&sub2;O&sub3; und 20 bis 35 Gew.-%, üblicherweise 31 Gew.-%
C und hat eine Rohdichte von 2,20 bis 2,65,
üblicherweise 2,40 g/ml.
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Die in Fig. 1b modifizierte SEN enthält
einen ringförmigen Teil 8 aus Zirkondioxid-Graphit, das
mit dem Aluminiumoxid-Graphit zusammengepresst ist und
die Außenfläche der SEN im Bereich der Schlackenlinie
liefert. Das Aluminiumoxid-Graphit hat dieselbe
Zusammensetzung wie die des oben bereits genannten, und das
Zirkondioxid-Graphit hat eine Zusammensetzung aus 65
bis 82 Gew.-%, üblicherweise 74 Gew.-% ZrO&sub2; und 17 bis 25
Gew.-%, üblicherweise 20 Gew.-% C und eine Rohdichte von
3,20 bis 3,60, üblicherweise 3,60 g/ml. Bei dieser
Konstruktion kann die Erosionsrate auf üblicherweise
1,5 bis 3,5 mm pro Stunde reduziert werden und obwohl
dies eine beträchtliche Verbesserung darstellt ist die
Erosionsrate noch erheblich. Der Grund dafür liegt
darin, dass der Zirkondioxid-Graphit-Einsatz
notwendigerweise einen wesentlichen Gehalt an Graphit
aufweist, um die notwendige Thermoschockbeständigkeit zu
besitzen, und dieser Graphitanteil bewirkt, dass die
Bindematrix des Einsatzes erheblichen Erosionsraten an
der Schlackenlinie unterliegt.
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Die in Fig. 1c weiter modifizierte
Konstruktion ist sehr ähnlich, aber in diesem Fall besteht der
gesamte untere Teil der SEN aus Zirkondioxid-Graphit,
dessen Zusammensetzung der oben bereits genannten
entspricht. Die Leistungsfähigkeit und Nachteile dieser
Konstruktion gleichen denen der Konstruktion in Fig.
1b.
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Fig. 1d stellt einen anderen Ansatz dar, in
welchem eine vorgeformte, hochgebrannte, ringförmige
Hülse aus gesintertem Zirkondioxid mittels feuerfestem
Zement an der Außenfläche im Bereich der Schlackenlinie
einer SEN von ansonsten bekannter Gestalt befestigt
wird. Die Zirkondioxid-Hülse hat einen sehr hohen
Erosionswiderstand, wobei die Erosion auf
typischerweise 0,2 bis 0,5 mm pro Stunde reduziert ist, aber
wegen des fehlenden Graphits ist ihre
Thermoschockbeständigkeit niedriger, was bedeutet, dass in der Praxis
diese Konstruktion wegen der Möglichkeit einer
Beschädigung durch Thermoschock der Hülse und/oder
ihrer Verbindung aus feuerfestem Zement mit der SEN,
besonders wenn die Vorheizbedingungen nicht genau
gesteuert werden, nicht akzeptabel ist.
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Dementsprechend ist es eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung eine metallurgische Eintauchausgussdüse
bereitzustellen, insbesondere eine SEN zum
Ausgießen von Stahl, welche die oben genannten Probleme
vermeidet und welche insbesondere eine verminderte
Neigung zu Erosion an der Schlackenlinie aufweist aber
trotzdem nicht einer Beschädigung durch Thermoschock
unterliegt.
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JP-A-7051818 offenbart eine metallurgische
Eintauchausgussdüse mit einem Düsenkörper aus
Aluminiumoxid-Graphit. Im Bereich der Schlackenlinie gibt es
einen ringförmigen Einsatz aus Zirkondioxid-Graphit. Um
das Äußere der Düse herum und den Einsatz überdeckend
ist eine isolierende Schicht aus
hochaluminiumoxidhaltigem Material geformt, welches eine thermische
Leitfähigkeit von nicht mehr als 0,5 kcal/m.h. ºC
besitzt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine
metallurgische Eintauchausgussdüse, insbesondere eine
SEN, umfassend einen Körper aus feuerfestem Material,
der einen Durchflussgang umgrenzt und ein ringförmiges
Glied aus feuerfestem Material, dessen
Erosionswiderstand höher ist als der des Körpers der Düsen, wobei
das ringförmige Glied im Bereich der Schlackenlinie der
Düse liegt und vollständig in das Material des Körpers
der Düse eingekapselt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
ein ringförmiger Abschnitt des Körpers der Düse, der
außerhalb des ringförmigen Gliedes liegt, aus einem
feuerfestem Material besteht, dessen Erosionswiderstand
größer ist als der des übrigen Teils des Körpers der
Düse aber kleiner ist als der des ringförmigen Gliedes
und dass alle Materialien des Körpers der Düse und das
Material des ringförmigen Gliedes gemeinsam verpresst
sind.
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Somit ist die Düse gemäß der Erfindung mit
einem Band oder einem ringförmigen Glied aus
erosionsbeständigem Material versehen, wie in den bekannten
Konstruktionen, aber unterscheidet sich von den
bekannten Konstruktionen dadurch, dass das
erosionsbeständige Material nicht einen Teil der Außenfläche der
Düse bildet, sondern von einer Materialschicht umgeben
ist, welche einen Teil des Körpers der Düse ausmacht,
dessen Erosionswiderstand größer ist als der des
übrigen Teils des Körpers der Düse.
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Zu Beginn des Ausgießens kommen bei den
bekannten Düsen das geschmolzene Metall und die erosive
glasartige Schicht direkt in Kontakt mit dem
erosionsbeständigen Material, welches so einem erheblichen
Temperaturgradienten und Thermoschock ausgesetzt ist,
und sie müssen so konstruiert sein, um dem zu
widerstehen.
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Bei der Düse gemäß der vorliegenden Erfindung
jedoch kommen das geschmolzene Metall und die erosive
glasartige Schicht anfänglich nicht in direkten Kontakt
mit dem erosionsbeständigen Material, sondern treffen
stattdessen das Material des Körpers der Düse von innen
und außen, was bedeutet, dass der
Temperaturgradient und somit der Thermoschock, dem das
erosionsbeständige Material ausgesetzt ist, beträchtlich
reduziert ist. Dies bedeutet, dass das
erosionsbeständige Material nicht länger den selben Kompromiss
zwischen Thermoschockbeständigkeit und
Erosionswiderstand verkörpern muss, oder wenigstens nicht im
selben Ausmaß wie früher, und dass es somit einen
niedrigeren Graphitgehalt besitzen kann, vorzugsweise 0
bis 10%, insbesondere 6% oder weniger, als früher
möglich war, während es noch ausreichende Beständigkeit
gegenüber dem reduzierten Thermoschock besitzt, dem es
ausgesetzt ist. Sein Erosionswiderstand kann so
beträchtlich höher sein als dies früher möglich war.
Die Deckschicht des Materials des Körpers der Düse wird
schnell an der Schlackenlinie weggefressen, aber wenn
die geschmolzene Glasschicht das erosionsbeständige
Material berührt, hat es bereits in hohem Maße die
Temperatur der Metallschmelze erreicht und wird dann
nicht einem weiteren starken Thermoschock ausgesetzt.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung eines spezifischen
Ausführungsbeispiels der Erfindung ersichtlich, welches in Bezug
auf Fig. 2 bis 5 der begleitenden Zeichnungen
gegeben wird, in welchen:
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Fig. 2 eine axiale schematische Teilansicht einer SEN
zum Ausgießen geschmolzenen Stahles im zugeführten
Zustand, welcher nicht Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist, darstellt;
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Fig. 3 eine Ansicht der SEN aus Fig. 2 kurz nach
Beginn des Betriebes ist;
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Fig. 4 eine der Fig. 2 ähnliche Ansicht einer
alternativen Konstruktion einer SEN ist, welche auch nicht
in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung
steht; und
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Fig. 5 eine ähnliche Ansicht einer weiteren SEN gemäß
der vorliegenden Erfindung ist.
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Die in Fig. 2 gezeigte SEN umfasst einen
rohrförmigen Körper 6, welcher einen zentralen
Durchflusskanal 7 definiert und aus gepresstem Aluminiumoxid-Graphit
besteht, dessen Zusammensetzung dieselbe
ist, wie die in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen.
Ein ringförmiges Glied 8 mit beträchtlich höherem
Erosionswiderstand, z. B. Kohlenstoff gebundenes
Zirkondioxid, wahlweise mit niedrigem Graphitgehalt,
ist vollständig innerhalb des Körpers an seinem unteren
Ende eingekapselt, das soll bedeuten in der Nähe der
Schlackenlinie, d. h. wo die Düse im Einsatz durch die
Schicht des geschmolzenen Formenpulvers stößt. Bei
Beginn des Betriebes wird das ringförmige Glied 8 nicht
direkt von der Stahlschmelze oder dem Formenpulver
berührt, sondern wird anfänglich vom umliegenden
Aluminiumoxid-Graphit des Düsenkörpers geschützt und
isoliert. Es wird deswegen einem vermindertem
Thermoschock ausgesetzt, dem es hinreichend mit einem
nur niedrigen Graphitgehalt widerstehen kann. Die
äußere Schicht des Aluminiumdioxid-Graphits wird, wie
in Fig. 3 gezeigt, an der Schlackenlinie schnell
weggefressen bis die Schlacke den Einsatz 8 berührt,
woraufhin die Erosionsrate beträchtlich vermindert ist,
typischerweise auf weniger als 1 mm pro Stunde.
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Der erosionsbeständige Einsatz 8 kann ein
einheitliches, selbsttragendes Glied sein, welches mit
dem Aluminiumoxid-Graphit des Düsenkörpers gemeinsam
verpresst ist. Es wird bevorzugt, dass der Einsatz
Kohlenstoff gebundenes Zirkondioxid mit 85 bis 92
Gew.-%, typischerweise 88 Gew.-% ZrO&sub7; und 2 bis 10 Gew.-%,
typischerweise 6 Gew.-% Kohlenstoff enthält und eine
Rohdichte von 3,9 bis 4, 4, typischerweise 4,1 g/ml
besitzt. Alternativ kann der Einsatz vorgesintert sein
und in den Düsenkörper während dessen Herstellung
eingebaut werden. Bei diesem Vorgang wird der Einsatz
vorzugsweise 87 bis 97 Gew.-%, typischerweise 95,5 Gew.-%
ZrO&sub2; enthalten und wird eine Rohdichte von 4,1 bis 4,6
g/ml, typischerweise von 4,3 g/ml, besitzen. Die
Tatsache jedoch, dass der Einsatz nicht der Atmosphäre
ausgesetzt ist und vollständig vom Material der Düse
getragen wird, eröffnet die Möglichkeit, dass der
Einsatz 8 frei von Kohlenstoff und Graphit ist und in
Pulver- oder teilweise vorgesinterter Form bei der
Bereitstellung vorliegt und dann nachfolgend unter der
Einwirkung der Hitze der Metallschmelze, wenn die Düse
das erste Mal benutzt wird, verdichtet und vollständig
gesintert wird. Bei diesem Vorgang kann der Einsatz 84
bis 94 Gew.-%, typischerweise 92 Gew.-% ZrO enthalten
und wird eine Rohdichte von 3,9 bis 4,3, typischerweise
4,0 g/ml besitzen. Das Material hat somit anfänglich
eine hohe Thermoschockbeständigkeit, die sich zunehmend
mit fortschreitendem Sintern in einen hohen
Erosionswiderstand verändert. Wenn Verdichtung und
Sintern des erosionsbeständigen Einsatzes an Ort und
Stelle stattfindet, wird dies mit einer Verringerung
des Volumens verbunden sein, aber dies kann leicht
aufgefangen werden, indem eine Schicht
zusammenpressbaren, feuerfesten Materials, z. B. an die Innenfläche des
Einsatzes 8 anliegende Keramikfasern, vorgesehen wird.
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Alternativ kann eine Kombination der in den
Fig. 1c und 2 gezeigten Konzepte verwendet werden,
wobei der aus dem in Bezug auf Fig. 2 und 3
beschriebenen Material hergestellte erosionsbeständige
Einsatz 8 in einem Zirkondioxid-Graphitbereich 9 des
SEN-Körpers eingekapselt ist, dessen Zusammenstellung
dieselbe ist wie die in Bezug auf Fig. 1c
beschriebene, und der mit dem Hauptkörper der SEN aus
Aluminiumoxid-Graphit gemeinsam verpresst ist, und dies ist
in Fig. 4 gezeigt.
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In der in Fig. 5 gezeigten SEN gemäß der
Erfindung enthält der ringförmige Bereich des Körpers
außerhalb des Einsatzes 8 eine Schicht aus
Zirkondioxid-Graphit 11. Der Einsatz 8 kann denselben in
Verbindung mit Fig. 2 bis 4 beschriebenen niedrigen
oder gar keinen Kohlenstoffgehalt aufweisen, aber die
Außenschicht 11 aus Zirkondioxid-Graphit wird demselben
Kompromiss, was den Kohlenstoffgehalt betrifft,
unterworfen sein, wie in Zusammenhang mit Fig. 1 diskutiert
wurde, und wird daher dieselbe in Verbindung mit Fig.
1c beschriebene Zusammensetzung besitzen. Die
verschiedenen Materialien werden alle gemeinsam
verpresst.
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Die Betriebslebensdauer einer in Fig. 1a
gezeigten Düse ist ausreichend, um zu ermöglichen, dass
nur eine Pfanne von Geschmolzenem oder sogar weniger
ausgegossen wird, bevor wegen der
Schlackenlinienerosion ein Auswechseln notwendig wird. Die in den
Fig. 1b und 1c gezeigte Düsen haben eine erhöhte
Betriebslebensdauer, die ausreicht, um typischerweise
vier Pfannen mit Stahlschmelze auszugießen. Bei der in
Fig. 2 bis 4 gezeigten Düse wurde jedoch eine
beträchtlich höhere Betriebslebensdauer festgestellt,
die ausreicht, um typischerweise sieben Pfannen
auszugießen. Die in Fig. 5 gezeigte Düse hat eine noch
weiter verbesserte Betriebslebensdauer und kann in der
Lage sein, bis zu zehn Pfannen auszugießen.
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Es wird erkannt werden, dass der Düsenkörper
6, 11 in einer Alternative zu Aluminiumoxid-Graphit aus
irgendeinem, für den Zweck geeignetem, Material
hergestellt sein kann, so wie Schmelz-Silika, und dass der
erosionsbeständige Einsatz 8 andere Materialien als
Zirkondioxid enthalten kann, z. B. Magnesiumoxid oder
sogar Aluminiumoxid mit einem niedrigeren Graphitanteil
als der des Düsenkörpers. Die Erfindung wurde
hauptsächlich in Verbindung mit Düsen zum Ausgießen von
Stahl beschrieben, aber sie ist ebenso auf Düsen zum
Ausgießen von Nichteisenmetallen, so wie Aluminium,
anwendbar, wo ähnliche Erosionsprobleme der Düse
auftreten.