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Die
Erfindung betrifft das Stranggießen von Metallen wie Stahl.
Genauer gesagt betrifft sie Vorrichtungen, die den Schutz des in
der Kokille enthaltenen flüssigen
Metalls gegen mögliche
chemische Reaktionen mit der Umgebungsluft gewährleistet.
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Stahl-Stranggießanlagen
weisen eine Kokille ohne Boden auf, deren Wände von innen intensiv mit umlaufendem
Wasser gekühlt
werden und die aus einem gut wärmeleitenden
Metall wie Kupfer oder seiner Legierungen besteht. Der flüssige Stahl
wird ständig
aus einem über
ihr angeordneten Gefäß, dem "Verteiler", in die Kokille
gegossen und beginnt dort unter Bildung einer festen Kruste an den
Kokilleninnenwänden
zu erstarren. Das Produkt (Bramme, Vorblock oder Knüppel genannt,
je nach seiner Form und seinen Abmessungen) wird kontinuierlich
aus der Kokille gezogen und erstarrt vollständig außerhalb der Kokille, dank Kühlung von
außen
durch Bespritzen mit Wasser.
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Der
in die Kokille eintretende flüssige
Stahl muss vor der Umgebungsluft geschützt werden, um eine Erhöhung seines
Stickstoffgehaltes und die Bildung von Oxideinschlüssen in
seinem Inneren zu vermeiden. Dazu wird der aus dem Verteiler ausströmende Gießstrahl
zumeist mit einem Rohr aus feuerfestem Material geschützt, dessen
unteres Ende in das in der Kokille enthaltene Metallbad eintaucht. Weiters
wird die freie Oberfläche
des flüssigen
Stahls in der Kokille gewöhnlich
mit einem Pulver auf Oxidbasis, dem sog. "Abdeckpulver" bedeckt. Seine Funktionen sind vielfältig. Abgesehen
vom Schutz des Stahls vor der Umgebungsluft stoppt es die Oberflächenstrahlung
und mindert so die Wärmeverluste
des Metalls. Und dadurch, dass es zwischen die erstarrte Kruste
und die Kokille dringt, gewährleistet es
eine Schmierung der Grenzfläche
Kokille-Produkt, die es ermöglicht,
dass das Abziehen des Strangs ohne Aufbrechen der erstarrten Kruste
erfolgt. Dieses Abziehen wird zusätzlich durch senkrechte Schwingungen,
eventuell auch Ultraschallschwingungen erleichtert, in welche die
Kokille versetzt wird.
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Trotzdem
gibt es Fälle,
wo die Verwendung eines Abdeckpulvers nicht möglich ist, nämlich wenn das
Gießprodukt
kleinen Formats ist und wenn die Verwendung eines Schutzrohrs zur
Bildung von "Brücken" aus erstarrtem Metall
zwischen Rohr und Kokille führen
könnte.
Es muss dann mit einem der Umgebungsluft ausgesetzten Gießstrahl
gegossen werden, dessen Auftreffen auf eine mit Abdeckpulver versehene
Oberfläche
ein Einschleppen von Pulver ins Metall, also eine schwere Verschmutzung
des Produkts bewirken würde.
Die Anwesenheit von Abdeckpulver muss also ausgeschlossen werden
und die Schmierung der Grenzfläche
Kokille-Produkt wird dann durch Zuführung von flüssigem Schmiermittel auf
die Oberfläche
des Metalls gewährleistet,
und sogar auch durch die Kokillenwand hindurch, an verschiedenen
Stellen der Grenzfläche
zwischen Wand und erstarrter Kruste. Die Verbrennung des Öls reduziert
zwar den Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft, kann aber den Schutz
des Metalls vor Rückoxidationen
nur unvollkommen gewährleisten.
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Diese
Maßnahme
muss dann durch eine Inertgasabschirmung der Umgebung der Metalloberfläche komplettiert
werden. Diese Inertisierung erfolgt gewöhnlich durch Einblasen von
Argon (oder Stickstoff beim Gießen
von Stahlsorten, die hohe Gehalte an diesem Element zulassen) um
den Gießstrahl
herum und auf die freie Oberfläche
des flüssigen
Metalls. Um einen besseren Einschluss dieser Schutzatmosphäre zu realisieren,
wird oftmals der Boden des Verteilergefäßes mit dem oberen Rand der
Kokille über
einen Balg aus faserartigem Feuerfestmaterial verbunden, der durch
seine Weichheit die senkrechten Bewegungen der oszillierenden Kokille
gestattet. Die Amplitude dieser Bewegungen kann einige Zehntel Millimeter
erreichen. Es hat sich allerdings gezeigt, dass diese Schutzmethoden
nicht vollständig zufriedenstellend
sind und oftmals eine Rückoxidation
des Metalls nicht ausreichend verhindern. Nur sehr selten wird in
der Nähe
der Oberfläche
ein Sauerstoffgehalt von weniger als 3% gemessen, was noch zu hoch
ist. Diese exzessive Oxidation des Metalls äußert sich in der Bildung von
Oxideinschlüssen, von
denen sich einige an der Oberfläche
des Metalls absetzen und in regelmäßigen Abständen vom Bedienungspersonal
manuell entfernt werden müssen. Wird
jedoch ein Balg verwendet, der die Umgebung der Kokille vor der
Außenatmosphäre isoliert,
ist dieses Entfernen nicht möglich.
Was die Einschlüsse betrifft,
die sich nicht absetzen, bleiben sie im Innern des Metalls und verschlechtern
seine Qualität.
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Ziel
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Inertgasabschirmung der
Umgebung der Oberfläche des
Flüssigmetallbades
in einer Kokille vorzuschlagen, das wirksamer ist als existierende
Vorrichtungen.
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Dazu
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Inertisierung des Raums,
der die freie Oberfläche des
in eine Kokille zum Stranggießen
von Metallen gegossenen flüssigen
Metalls umgibt, wobei die Kokille unter einem Verteiler angeordnet
ist, nach Anspruch 1.
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Demnach
besteht die Erfindung darin, zwischen dem Boden des Verteilers und
dem oberen Rand der Kokille eine Ringdichtung einzufügen, die mit
einem Druckgas gefüllt
wird. Sie besteht aus einem wärmebeständigen und
genügend
gasdurchlässigen
Material (vorzugsweise unter der Wirkung seiner natürlichen
Porosität),
damit das aus der Dichtung ausströmende Gas den durch die Dichtung,
den Boden des Verteilers und den oberen Rand der Kokille begrenzten
Raum ausfüllt,
in dem sich der Gießstrahl
und die freie Oberfläche
des flüssigen
Gießmetalls
in der Kokille befinden. Diese Dichtung ist am Boden des Verteilers
oder am oberen Rand der Kokille befestigt und muss im gasgefüllten Zustand
eine Dicke aufweisen, die ausreicht, um den Raum zwischen Verteiler
und Kokille auszufüllen,
wenn dieser Raum seine maximale Breite aufweist (d. h. wenn sich
die Kokille während
ihres Schwingungszyklus in ihrer tiefsten Position befindet).
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Die
Erfindung wird besser verständlich
beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügte einzige
Figur, die von vorn gesehen und im Querschnitt eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zeigt, die auf einer Metall-Stranggießmaschine installiert ist.
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Die
einzige Figur zeigt schematisch den oberen Teil einer Anlage zum
Stranggießen
von Stahlknüppeln.
Sie weist gewöhnlich
ein Verteilergefäß 1 auf,
das flüssigen
Stahl 2 enthält
und von dem nur der Boden 3 dargestellt ist. Der Boden 3 weist
ein kalibriertes Rohr 4 auf, durch welches der flüssige Stahl 2 abfließt und einen
Gießstrahl 5 bildet.
Dieser tritt in den Innenraum einer bodenlosen Kokille 6 ein,
deren Wände 7, 8, 9 von
innen intensiv mit Wasser gekühlt werden,
das in nicht gezeigten Kanälen
zirkuliert. Der in der Kokille 6 enthaltene flüssige Stahl 2 erstarrt nach
und nach an den Wänden 7, 8, 9 und
bildet dabei die Außenschale 10 eines
Gießproduktes 11,
das mit nicht dargestellten, bekannten Mitteln aus der Kokille abgezogen
wird. Bei seinem Austritt aus der Kokille 6 wird das Produkt 11 mittels
Düsen 12, 13, 14, 15 mit
Wasser bespritzt, um seine Kühlung
zu beschleunigen. Eine Schmierölschicht 16 bedeckt
die Oberfläche 17 des
flüssigen
Stahls 2 in der Kokille 6. Diese wird durch nicht
dargestellte, bekannte Mittel in eine senkrechte Schwingbewegung
gemäß dem Pfeil 18 versetzt.
Die Amplitude dieser Schwingungen kann in der Größenordnung von einigen mm bis
einigen cm und die Frequenz in der Größenordnung von einigen Hz liegen. Öl kann auch
in bekannter Weise an verschiedenen Stellen der Grenzfläche zwischen Wand 7, 8, 9 und
Schale 10 über
(nicht dargestellte) Öffnungen
zugeführt
werden, die in den Wänden 7, 8, 9 ausgebildet
sind.
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Die
Stranggießanlage
ist mit einer Inertgasabschirmvorrichtung versehen, die verhindert,
dass der Gießstrahl 5 und
die Oberfläche 17 des
in der Kokille 6 enthaltenen flüssigen Stahls 2 einer
reaktiven Atmosphäre
wie z. B. Umgebungsluft ausgesetzt wird. Erfindungsgemäß umfasst
diese Vorrichtung
- – eine ringförmige, aufblasbare
Membran 19, die aus einem porösen weichen Feuerfestmaterial besteht
und Temperaturen in der Größenordnung von
etwa 800 bis 900°C
aushalten kann.
- – einen
röhrenförmigen metallischen
Halterahmen 20, der im Innern der Membran 19 gelagert ist;
er ist mit Rohren 21, 22 zur Zuführung eines neutralen
Inertgases wie Argon oder Stickstoff in sein Inneres und mit Öffnungen 23, 34 von
einigen mm Durchmesser versehen, durch die dieses neutrale Gas ins
Innere der Membran 19 ausströmt, um ihr Aufblasen und dann
die Inertisierung des Raums zu gewährleisten, der den Gießstrahl 5 und
die Oberfläche 17 des
in der Kokille 6 enthaltenen flüssigen Stahls 2 umgibt.
- – eine
ringförmige
Platte 25, an der die oberen Bereiche der Membran 19 und
des Halterahmens 20 befestigt sind und die selbst am Boden 3 des
Verteilers 1 so befestigt ist, dass die Membran 19 den Gießstrahl 5 umgibt.
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Nicht
dargestellte, herkömmliche
Mittel zum Einblasen eines neutralen Gases versorgen die Rohre 21, 22 unter
solchen Mengen- und Druckbedingungen, dass ein Aufblasen der Membran 19 erfolgt,
welches ihr eine torusähnliche
Form verleiht. Die Dimensionen der Membran sind so berechnet, dass
sie nach erfolgtem Aufblasen im komprimierten Zustand in der Art
eines O-Rings den Raum zwischen dem Boden 3 des Verteilers 1 und
dem oberen Rand 26 der Kokille 6 selbst dann ausfüllen kann,
wenn sich die Kokille 6 und der Verteiler 1 beim
Schwingungszyklus der Kokille 6 in ihrem maximalen Abstand
voneinander befinden. Unter der Wirkung des Innendrucks, der in
der Membran 19 herrscht, ist diese permanent in weichem,
dichten Kontakt mit dem oberen Rand 26 der Kokille 6,
der selbst durch die Schwingungen der Kokille 6 bewegt
wird.
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Aufgrund
des porösen
Charakters der Membran 19 strömt ein Teil des Gases, mit
dem sie gefüllt wird,
in den durch die Membran 19, den Verteiler 1 und
die Kokille 6 begrenzten Innenraum 27 ein und trägt dazu
bei, dass seine Atmosphäre
gegenüber dem
Gießstrahl 5 und
der Oberfläche 17 des
flüssigen
Stahls 2 in der Kokille inert wird. Wenn insbesondere auch
für eine
gute Dichtheit des Kontaktes zwischen der Platte 25 und
dem Boden 3 des Verteilers 1 gesorgt wird, kann
ein Sauerstoffgehalt von etwa 0,5% im Raum 27 erzielt werden,
was niedrig genug ist, um die starken Rückoxidationen des flüssigen Metalls 2 dort
zu beseitigen. Es wird nämlich
keine Oxidbildung mehr an der Badoberfläche 17 beobachtet
und eine regelmäßige Reinigung
dieser Oberfläche 17 braucht
nicht mehr vorgenommen zu werden.
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Man
kann beispielsweise eine Membran 19 aus feuerfestem Filz
auf Graphitbasis verwenden, die eine Porosität von etwa 70% und eine Dicke
von 8 mm aufweist. Der Filz kann anfangs in Form eines handelsüblichen
Bandes vorliegen, das man zu einer Röhre zusammenrollt, die entlang
einer Mantellinie zugenäht
oder zugeklebt wird und dann in sich zu einem Ring geschlossen wird.
Um das Aufblasen der Membran 19 zu gewährleisten, werden 150 Nl/mn Stickstoff
unter einem Druck von 1 bar eingeblasen. Dieses Gaseinblasen ermöglicht es
auch, die Membran 19 ausreichend zu kühlen, um ihre thermische Beschädigung zu
vermeiden.
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Optional
kann die Membran 19 auf ihrem zur Außenseite des Raums 27 gerichteten
Abschnitt mit einem gasdichten Material beschichtet werden, damit das
gesamte Gas, das aus der Membran 19 austritt, auch tatsächlich in
den Raum 27 eingeleitet wird.
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In
einer Variante kann man der Platte 25 auch eine erhöhte Dicke
verleihen und ein transparentes Fenster darin integrieren, durch
das man einen visuellen Zugang zur Oberfläche 17 des flüssigen Metalls 2 in
der Kokille haben kann, um den Einsatz einer Einrichtung zur Niveauregelung
dieser Oberfläche 17 in
einer Ausführung
zu ermöglichen, welche
eine Kamera oder eine beliebige andere Vorrichtung beinhaltet, die
einen optischen Zugang zur Oberfläche 17 erfordert.
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Eine
andere Variante würde
darin bestehen, die Platte 25 nicht mehr am Boden 3 des
Verteilers 1, sondern am oberen Rand 26 der Kokille 6 anzubringen.
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Selbstverständlich ist
die Platte 25 nur ein beispielhaftes Befestigungsmittel
für die
Membran 19, wobei beliebige andere Befestigungsmittel einsetzbar
sind, welche die gleiche Funktion erfüllen können.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
hat neben ihrer Wirksamkeit im Hinblick auf den Schutz des flüssigen Metalls
den Vorteil, dass sie leicht anzubringen und zu benutzen ist. Sie
ist insbesondere sehr tolerant gegenüber den gewöhnlich anzutreffenden leichten
Veränderungen
der Höhenposition
des Verteilers 1 (einige mm).
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann auch in Gießanlagen
benutzt werden, die anstelle einer oszillierenden Kokille eine Kokille
aufweisen, die mittels Ultraschallsender in Bewegungen mit geringer
Amplitude und hoher Frequenz versetzt wird, sowie bei Kokillen,
bei denen sich solche Bewegungen mit den herkömmlichen Schwingungen überlagern. Sie
kann auch bei Kokillen zur Anwendung kommen, die nach oben durch
einen Aufbau aus feuerfestem Material verlängert sind, in dem der Schmelzspiegel gehalten
wird.
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Es
versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dann verwendet werden
kann, wenn der Gießstrahl 5 selbst
mit einem Rohr aus feuerfestem Material geschützt ist. Sie findet Anwendung
beim Gießen
von Produkten beliebiger Formate. Sie kann auch beim Stranggießen anderer
Metalle als Stahl eingesetzt werden.