WO1997043062A1 - Gasspüleinrichtung - Google Patents

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Manfred Slamenik
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Veitsch-Radex Aktiengesellschaft Für Feuerfeste Erzeugnisse
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D1/00—Treatment of fused masses in the ladle or the supply runners before casting
    • B22D1/002—Treatment with gases
    • B22D1/005—Injection assemblies therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/05—Refining by treating with gases, e.g. gas flushing also refining by means of a material generating gas in situ
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
    • C21C5/42—Constructional features of converters
    • C21C5/46—Details or accessories
    • C21C5/48—Bottoms or tuyéres of converters

Definitions

  • the invention relates to a gas purging device made of a refractory, ceramic material for metallurgical melting vessels.
  • Gas purging devices in the form of gas purging stones can be divided into the following main categories:
  • Gas purging stones with "directed porosity" Such gas purging stones have continuous channels within the refractory, ceramic matrix material, which are fed with gas, possibly also with gas / solid mixtures, from a central gas supply.
  • gas purging stones with "non-directional porosity" in which the gas flow takes place via the open porosity of the ceramic material.
  • the invention is based on the object of constructively solving the approach given in WO 95/33587 for a gas purging device with a high gas throughput in the sense of high infiltration inhibition.
  • a gas flushing device made of a refractory, ceramic material for metallurgical vessels with at least one, essentially cylindrical flushing channel (flushing slot) is proposed, in which the flushing channel, viewed in the axial direction, at least on its the end facing the molten metal has alternating characteristics in the radial direction.
  • the course of the rinsing channel which alternates radially in the axial direction of the rinsing channel, surprisingly leads to a considerable inhibition of the tendency to infiltration of molten metal.
  • Preliminary tests have shown that the alternating course leads to metal melt possibly penetrating into the rinsing channel being "braked" in the region of the deflections. This is particularly important at the end of the gas purging device facing the metal melt, so that the steel melt only penetrates into the gas purging device over the smallest possible section.
  • the refractory, ceramic matrix material of the gas purging device has a relatively high temperature, which is close to the temperature of the molten steel.
  • the invention provides various specific embodiments:
  • the characteristics - viewed in the longitudinal section (in the direction of rinsing) - can be meandering.
  • An alternative embodiment provides a wave-shaped course of the forms. A sub-case of this is the sinusoidal course of the forms.
  • An additional infiltration inhibition can be achieved in an embodiment in which the wave-shaped course of the forms in the longitudinal section consists of short sections which run at an acute angle of inclination to the horizontal and long sections which run at an obtuse angle of inclination to the horizontal.
  • a lower flow velocity of the melt automatically results in the area of the "short” sections and a type of "chicane" in the area of the subsequent, for example right-angled transition to the "long” section, which additionally counteracts further infiltration of the metal melt.
  • a gas purging device for example within a gas purging plug, several of the purging channels described above can be arranged concentrically to one another or next to one another in order to increase the gas cross-section effective in terms of purging.
  • the invention proposes a solution in which the flushing channel has a star shape when viewed from the top.
  • a gas purging device can be described as a "wrinkle flusher" and is explained in more detail in the subsequent description of the figures. Due to the "zigzag" design of the flushing channel (in horizontal section), the cross-section of the flushing channel is considerably enlarged compared to a cylindrical flushing channel in the form of a ring. An approximately the same effect can be achieved with a rinsing channel which has a circular shape in horizontal section, provided that the circular shape has a wavy contour.
  • the features should be provided at the end of the gas purging device facing the molten metal.
  • the corresponding section can make up, for example, one third, half or two thirds of the total height of the gas purging device.
  • the rinsing channel can namely - in a manner known per se - be formed by burning out a corresponding shaped body and this can - with the aforementioned Features - for example as a plastic injection molded part very easily and inexpensively. It is then cast around (embedded) by refractory matrix material or pressed together with the refractory matrix material.
  • it can be advantageous to provide the outer surface of the burnout part with openings so that a certain pressure compensation takes place between the refractory matrix material running inside the flushing channel and outside of the flushing channel, and at the same time an unintentional loosening of the molded part during pressing is prevented.
  • the gas purging device can be designed as a discrete component, ie as a gas purging plug.
  • a gas purging plug will typically have a truncated cone shape in accordance with the prior art. In this case, it makes sense to also make the geometry of the flushing channel (viewed in the axial direction) like a truncated cone (conical).
  • the gas purging device in a monolithic floor or wall lining of a metallurgical vessel.
  • the previously described burnout body is, for example, overmolded with appropriate refractory material directly on site.
  • the width of the irrigation channel should not exceed 1 to 2 mm in order not to endanger the advantages described above with regard to the anti-infiltration properties.
  • the flushing channel width can also be significantly smaller, for example down to 0.1 mm. Further features of the invention result from the features of the subclaims and the other application documents.
  • This shaped body which here consists of plastic, is shown in longitudinal section in FIG.
  • the essentially cylindrical geometry can be seen, with the shaped body
  • FIG. 11 in FIG. 1 shows that the shaped body has a star shape when viewed from above.
  • FIG. 3 shows an enlarged illustration of the section marked III in FIG. 2, from which it can be seen that the molded body wall runs from an inner section 12i to an outer section 12a and from there, after being bent back, to a further inner section I2i, wherein the training is a mirror image of a plane of symmetry indicated with 14.
  • Figure 4 shows the section shown in Figure 1 with IV.
  • the molded body wall then runs to the right at an acute angle alpha to the horizontal (towards the (imaginary) central longitudinal axis M of the molded body 10).
  • a “short” section 12k is formed, to which a “long” section 121 adjoins after an angle at an obtuse angle beta to the horizontal.
  • the molded plastic body shown in FIGS. 1 to 4 is then cast on the inside (16) and outside (18) with refractory ceramic material.
  • the ceramic material is then dried and the molded body 10 is burned out by heating the gas purging device formed in this way in order to expose a gas channel (flushing slot) corresponding to the molded body geometry.
  • the "closed" shape of the flushing channel contributes significantly to the simplified manufacture of the gas flushing device, because the cylindrical shape described (truncated cone shape) ensures high stability of the shaped body and thus also high dimensional accuracy when assembling the gas flushing device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasspüleinrichtung aus einem feuerfesten, keramischen Werkstoff, für metallurgische Gefässe, mit mindestens einem, im wesentlichen zylinderförmigen Spülkanal, wobei der Spülkanal, in Axialrichtung betrachtet, zumindest an seinem, der Metallschmelze zugewandten Ende in Radialrichtung alternierende Ausprägungen aufweist.

Description

Gasspüleinrichtung
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft eine Gasspüleinrichtung aus einem feuerfesten, keramischen Werkstoff, für metallurgische Schmelzgefäße.
Die Literatur beschreibt zahlreiche Ausführungsformen derartiger Gasspüleinrichtungen. Eine umfassende Übersicht gibt die Radex-Rundschau, 1987, Seiten 288 bis 302.
Gasspüleinrichtungen in Form von Gasspülsteinen lassen sich m folgende, wesentliche Kategorien gliedern:
- Gasspülsteine mit "gerichteter Porosität". Derartige Gasspülsteine weisen durchgehende Kanäle innerhalb des feuerfesten, keramischen Matrixmaterials auf, die von einer zentralen Gaszuführung mit Gas, gegebenenfalls auch mit Gas-/Feststoffgemischen, gespeist werden. - Gasspülsteine mit "ungerichteter Porosität", bei denen der Gasfluß über die offene Porosität des keramischen Werkstoffes erfolgt.
- Sogenannte Fugen- oder Schlitzspüler, bei denen der Gasfluß über relativ lange, aber schmale schlitzartige Kanäle erfolgt. Derartige Gasspülsteine beschreiben die DE 39 07 500 Cl und die EP 0 325 709 Bl.
Bei allen Arten von Gasspülsteinen besteht das Problem der Infiltration von Metallschmelze in die Spülkanäle oder Spülschlitze. Man versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, indem der Durchmesser der Spülkanäle beziehungsweise die Breite der Spülschlitze möglichst klein gewählt wird. Parallel dazu sinkt jedoch zwangsläufig die Menge an Spülgas, was grundsätzlich unerwünscht ist.
In der WO 95/33587 wird deshalb der Vorschlag gemacht, den schlitzartigen Spülkanal spiralförmig auszubilden, so daß bei geringer Breite, jedoch großer Länge des Spülkanals ein hoher Gasdurchsatz erreicht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den in der WO 95/33587 gegebenen Lösungsansatz für eine Gasspüleinrichtung mit hohem Gasdurchsatz im Sinne hoher Infiltrationshemmung konstruktiv anders zu lösen.
Im Ergebnis wird eine Gasspüleinrichtung aus einem feuerfesten, keramischen Werkstoff für metallurgische Gefäße mit mindestens einem, im wesentlichen zylinderformigen Spülkanal (Spülschlitz) vorgeschlagen, bei der der Spülkanal, in Axialrichtung betrachtet, zumindest an seinem, der Metallschmelze zugewandten Ende in Radialrichtung alternierende Ausprägungen aufweist.
Der in Axialrichtung des Spülkanals radial alternierende Verlauf des Spülkanals führt überraschenderweise zu einer erheblichen Hemmung der Infiltrationsneigung eindringender Metallschmelze. In Vorversuchen hat sich herausgestellt, daß der alternierende Verlauf dazu führt, daß etwaig in den Spülkanal eindringende Metallschmelze im Bereich der Umlenkungen "gebremst" wird. Dies ist insbesondere an dem der Metallschmelze zugewandten Ende der Gasspüleinrichtung von Bedeutung, damit die Stahlschmelze nur über einen möglichst geringen Abschnitt in die Gasspüleinrichtung eindringt. Im oberen, der Metallschmelze zugewandten Abschnitt weist das feuerfeste, keramische Matrixmaterial der Gasspüleinrichtung eine relativ hohe Temperatur auf, die nahe an die Temperatur der Stahlschmelze heranreicht. Soweit also das Eindringen der Stahlschmelze in die Gasspüleinrichtung bereits in deren oberem Abschnitt "gebremst" werden kann wird dadurch gleichzeitig verhindert, daß die Metallschmelze "einfriert", also in den festen Aggregatzustand übergeht. Dies ist deshalb besonders wichtig, weil bei fortgesetzter Begasung etwa eingedrungene Metallschmelze durch den Gasstrom anschließend leicht wieder aus der Gasspüleinrichtung in die Metallschmelze zurückgeführt werden kann.
Hinsichtlich der alternierenden Ausprägungen sieht die Erfindung verschiedene konkrete Ausführungsformen vor:
Die Ausprägungen können - im Längsschnitt (in Spülrichtung) betrachtet - mäanderförmig verlaufen. Eine alternative Ausführungsform sieht einen wellenförmigen Verlauf der Ausprägungen vor. Ein Unterfall davon ist der sinusförmige Verlauf der Ausprägungen.
Eine zusätzliche Infiltrationshemmung kann bei einer Ausführungsform erreicht werden, bei der der im Längsschnitt wellenförmige Verlauf der Ausprägungen aus kurzen, unter einem spitzen Neigungswinkel zur Horizontalen verlaufenden Abschnitten und langen, unter einem stumpfen Neigungswinkel zur Horizontalen verlaufenden Abschnitten besteht. Auf diese Weise ergibt sich im Bereich der "kurzen" Abschnitte automatisch eine geringere Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze und im Bereich des anschließenden, beispielsweise rechtwinkligen Überganges zum "langen" Abschnitt eine Art "Schikane", die zusätzlich einer weiteren Infiltration der Metallschmelze entgegenwirkt.
Innerhalb einer Gasspüleinrichtung, beispielsweise innerhalb eines Gasspülsteines, können mehrere der vorstehend beschriebenen Spülkanäle konzentrisch zueinander oder nebeneinander angeordnet werden, um so den spültechnisch wirksamen Gasquerschnitt zu erhöhen.
Alternativ dazu bietet die Erfindung einen Lösungsvorschlag an, bei dem der Spülkanal - in der Aufsicht betrachtet - eine Sternform besitzt . Eine derartige Gasspüleinrichtung kann als "Faltenspüler" beschrieben werden und wird in der anschließenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Durch die "zickzackförmige" Gestaltung des Spülkanals (im Horizontalschnitt) wird gegenüber einem zylinderformigen Spülkanal in Ringform eine erhebliche Vergrößerung des Spülkanal-Querschnittes erreicht. Ein annähernd gleicher Effekt läßt sich bei einem Spülkanal, der im Horizontalschnitt eine Kreisform besitzt, erreichen, sofern die Kreisform eine wellenförmige Kontur aufweist.
Wie ausgeführt sollen die Ausprägungen zumindet an dem, der Metallschmelze zugewandten Ende der Gasspüleinrichtung vorgesehen werden. Dabei kann der entsprechende Abschnitt beispielsweise ein Drittel, die Hälfte oder zwei Drittel der gesamten Höhe der Gasspüleinrichtung ausmachen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, den Spülkanal - in Axialrichtung betrachtet - mit wechselnden Querschnitten auszubilden, wobei die wechselnden Querschnitte dann insbesondere in dem die Ausprägungen aufweisenden Abschnitt der Gasspüleinrichtung vorgesehen werden.
Ergibt sich dabei - in Infiltrationsrichtung der Metallschmelze betrachtet (also von oben nach unten) - ein verjüngender Querschnitt, so wird hierdurch die Infiltrationsneigung der Metallschmelze zusätzlich behindert .
Aus vorstehenden Erläuterungen folgt, daß im Endeffekt ein Spülkanal ausgebildet wird, der in Axialrichtung, in Radialrichtung und bezüglich des Kanalguerschnittes ständig wechselnde Geometrien aufweist. Gleichwohl ist die Herstellung einer solchen Gasspüleinrichtung äußerst einfach.
Der Spülkanal kann nämlich - auf an sich bekannte Art und Weise - durch Ausbrennen eines entsprechenden Formkörpers gebildet werden und dieser läßt sich - mit den vorgenannten Merkmalen - beispielsweise als Kunststoff-Spritzgußteil sehr leicht und preiswert herstellen. Er wird dann von feuerfestem Matrixmaterial umgössen (eingebettet) oder gemeinsam mit dem feuerfesten Matrixmaterial verpreßt. Insbesondere bei letztgenannter Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, die Mantelfläche des Ausbrennteils mit Durchbrechungen auszubilden, so daß eine gewisse Druck- Kompensierung zwischen dem innerhalb des Spülkanals und außerhalb des Spülkanals verlaufenden feuerfesten Matrixmaterial erfolgt und gleichzeitig ein unbeabsichtigtes Lösen des Formteils beim Verpressen verhindert wird.
Die Gasspüleinrichtung kann als diskretes Bauteil, also als Gasspülstein ausgebildet werden. Ein solcher Gasspülstein wird - in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik - typischerweise eine Kegelstumpfform aufweisen. In diesem Fall bietet es sich an, auch die Geometrie des Spülkanals (in Axialrichtung betrachtet) kegelstumpfartig (konisch) vorzunehmen.
Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, die Gasspüleinrichtung in einer monolithischen Boden- oder Wandauskleidung eines metallurgischen Gefäßes auszubilden. In diesem Fall wird der zuvor beschriebene Ausbrennkörper unmittelbar vor Ort mit entsprechendem Feuerfestmaterial beispielsweise umgössen.
Die Breite des Spülkanals sollte 1 bis 2 mm nicht übersteigen, um die zuvor beschriebenen Vorteile bezüglich der infiltrationshemmenden Eigenschaften nicht zu gefährden. Die Spülkanalbreite kann jedoch auch deutlich darunter liegen, beispielsweise bis auf 0,1 mm herab. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
Dabei wird in den Figuren jeweils nur der Formkörper dargestellt, der später in ein geeignetes feuerfestes keramisches Matrixmaterial eingelegt wird und nach Ausbrennen den Spülkanal ausbildet.
In Figur l ist dieser Formkörper, der hier aus Kunststoff besteht, im Längsschnitt dargestellt. Zu erkennen ist die im wesentlichen zylinderförmige Geometrie, wobei der Formkörper
10 von seinem einen Ende lOu zu seinem anderen Ende lOo leicht konisch verjüngend ausgebildet ist.
Der in Figur 2 dargestellte Schnitt entlang der Linie II -
11 in Figur 1 zeigt, daß der Formkörper - in der Aufsicht - eine Sternform besitzt.
Figur 3 stellt eine vergrößerte Darstellung des in Figur 2 mit III gekennzeichneten Abschnitts dar, woraus zu erkennen ist, daß die Formkörperwand von einem inneren Abschnitt 12i zu einem äußeren Abschnitt 12a und von dort nach einer Abwinklung zurück zu einem weiteren inneren Abschnitt I2i verläuft, wobei die Ausbildung spiegelbildlich zu einer mit 14 angegebenen Symmetrieebene ist .
Aus Figur 4 ist der für die Erfindung wesentliche Verlauf der Formkörperwand in Axialrichtung des Formkörpers zu erkennen, wobei Figur 4 den in Figur 1 mit IV dargestellten Abschnitt zeigt.
Danach verläuft die Formkörperwand zunächst mit einem zur Horizontalen spitzen Winkel alpha nach rechts (auf die (gedachte) Mittenlängsachse M des Formkörpers 10 zu) . Hierdurch wird ein "kurzer" Abschnitt 12k ausgebildet, an den sich nach einer Abwinklung ein "langer" Abschnitt 121 unter einem stumpfen Winkel beta zur Horizontalen anschließt. Diese alternierenden Ausprägungen setzen sich anschließend, ausgehend vom Formkörper-Ende lOe über etwa die Hälfte der Höhe des Formkörpers 10 gleichmäßig fort und gehen anschließend (im unteren Abschnitt lOu des Formkorpers 10) in einen gradlinigen Verlauf über.
Der in den Figuren 1 bis 4 dargestellte Kunststoff- Formkörper wird anschließend innenseitig (16) und außenseitig (18) mit feuerfestem keramischem Material umgössen. Anschließend wird das keramische Material getrocknet und der Formkörper 10 durch Erhitzen der so gebildeten Gasspüleinrichtung ausgebrannt, um einen der Formkörpergeometrie entsprechenden Gaskanal (Spülschlitz) freizulegen.
Die "geschlossene" Form des Spülkanals trägt maßgeblich zur vereinfachten Herstellung der Gasspüleinrichtung bei, weil die beschriebene Zylinderform (Kegelstumpfform) eine hohe Stabilität des Formkörpers gewährleistet und damit auch eine hohe Maßhaltigkeit bei der Konfektionierung der Gasspüleinrichtung.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Gasspüleinrichtung aus einem feuerfesten, keramischen Werkstoff, für metallurgische Gefäße, mit mindestens einem, im wesentlichen zylinderformigen Spülkanal, dadurch gekennzeichnet, daß der Spülkanal, in Axialrichtung betrachtet, zumindest an seinem, der Metallschmelze zugewandten Ende in Radialrichtung alternierende Ausprägungen aufweist.
Gasspüleinrichtung nach Anspruch l, bei der die Ausprägungen, im Längsschnitt betrachtet, mäanderförmig verlaufen.
Gasspüleinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ausprägungen, im Längsschnitt betrachtet, wellenförmig verlaufen.
4. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 3, bei der die Ausprägungen, im Längsschnitt betrachtet, sinusartig verlaufen.
5. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der der in Längsschnitt wellenförmige Verlauf der Ausprägungen aus kurzen, unter einem spitzen Neigungswinkel zur Horizontalen verlaufenden Abschnitten und langen, unter einem stumpfen Neigungswinkel zur Horizontalen verlaufenden Abschnitten besteht.
6. Gasspüleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Spülkanal, in der Aufsicht betrachtet, eine Sternform besitzt.
7. Gasspüleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Spülkanal, in der Aufsicht betrachtet, eine Kreisform mit wellenförmiger Kontur aufweist.
8. Gasspüleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der sich die Ausprägungen über etwa ein Drittel der Höhe des Spülkanals erstrecken.
9. Gasspüleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der sich die Ausprägungen über etwa die Hälfte der Höhe des Spülkanals erstrecken.
10. Gasspüleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der sich die Ausprägungen über etwa zwei Drittel der Höhe des Spülkanals erstecken. 11. Gasspüleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der Spülkanal, in Axialrichtung betrachtet, mit welchselnden Querschnitten ausgebildet ist.
12. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 11, bei der der Spülkanal, in Axialrichtung betrachtet, zumindest abschnittweise zwischen seinem der Metallschmelze zugewandten Ende und seinem der Metallschmelze abgewandten Ende mit sich verjüngendem Querschnitt ausgebildet ist.
13. Gasspüleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der vom Spülkanal umschlossene Flächenabschnitt an dem der Metallschmelze zugewandten Ende kleiner als an dem der Metallschmelze abgewandten Ende ist.
14. Gasspüleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der der feuerfeste keramische Werkstoff von einer monolithischen, den Boden oder die Wand eines metallurgischen Schmelzgefäßes bildenden feuerfesten Masse gebildet wird.
15. Gasspüleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der der feuerfeste keramische Werkstoff die Form eines Quaders, eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes aufweist.
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