DE102005029033B4

DE102005029033B4 - Verschlussstopfen für ein metallurgisches Schmelzgefäß

Info

Publication number: DE102005029033B4
Application number: DE102005029033A
Authority: DE
Inventors: Markus Fauhl; Manfred Winkelmann; Jürgen PERNOT; Helmut Müller
Original assignee: Refractory Intellectual Property GmbH and Co KG
Current assignee: Refractory Intellectual Property GmbH and Co KG
Priority date: 2005-06-21
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2025-06-22
Also published as: EP1893371B1; CN101203342B; UA87754C2; ES2328957T3; BRPI0612520A2; US7910050B2; ATE438472T1; RU2384387C2; WO2006136285A2; EP1893371A2; US20100044402A1; PL1893371T3; RU2007145936A; DE102005029033A1; DE502006004455D1; CN101203342A; WO2006136285A3

Abstract

Verschlussstopfen für ein metallurgisches Schmelzgefäß mit folgenden Merkmalen:
a) einem stabförmigen Körper (10) aus mindestens einem feuerfesten keramischen Werkstoff, mit einem ersten oberen Ende und einem zweiten unteren Ende (14),
b) vom ersten Ende erstreckt sich eine sackartige Öffnung (1.2) in Axialrichtung des Körpers (10) in Richtung auf das zweite Ende (14),
c) die Öffnung (12) endet an einem Boden (16) mit Abstand zum zweiten Ende (14) des Körpers (10),
d) ein Gasauslasskanal (20) verbindet die Öffnung (12) mit einem Oberflächenabschnitt im Bereich des zweiten Endes (14) des Körpers (10),
e) der Gasauslasskanal (20) hat eine Querschnittsfläche, die kleiner ist als die Querschnittsfläche der Öffnung (12),
f) über einen Teil der Öffnung (12) – in Axialrichtung des Körpers (10) betrachtet – erstreckt sich ein Füllkörper (24),
g) durch den Füllkörper (24) oder zwischen Füllkörper (24) und Körper (10) verläuft mindestens ein Gaskanal...

Description

Die Erfindung betrifft einen Verschlussstopfen für ein metallurgisches Schmelzgefäß. Derartige Stopfen dienen zur Regelung der Ausflussmenge einer Metallschmelze im Bereich einer Auslassöffnung eines zugehörigen Schmelzgefäßes, beispielsweise eines Tundish.
Ein solcher Verschlussstopfen ist üblicherweise wie folgt aufgebaut: Er weist einen stabförmigen Körper aus mindestens einem feuerfesten keramischen Werkstoff auf, der entsprechend ein erstes oberes Ende und ein zweites unteres Ende aufweist. Vom ersten Ende erstreckt sich eine sackartige Öffnung in Axialrichtung des stabförmigen Körpers auf das zweite Ende hin, wobei diese Öffnung an einem Boden mit Abstand zum zweiten Ende des Körpers endet. Ein Gasauslasskanal mit einer gegenüber der Öffnung kleineren Querschnittsfläche verbindet den Boden der Öffnung mit einem Oberflächenabschnitt im Bereich des zweiten Endes des Körpers. Dem ersten Ende benachbart weist die Öffnung umfangsseitig Fixiermittel auf, die zur Festlegung einer korrespondierenden Halteeinrichtung, meist eine Haltestange, dienen, über die der Verschlussstopfen an einem Manipulator befestigt wird. Mit Hilfe des Manipulators wird der Stopfen auf- und abbewegt, um die Auslauföffnung des Schmelzgefäßes entweder abzudichten oder auf eine einstellbare Öffnungsweite freizugeben.
Im Rahmen dieser Anmeldung beziehen sich Angaben hinsichtlich der Gestaltung und Funktion des Verschlussstopfens sowie dessen Teile und Einrichtungen stets auf die Funktionsposition des Verschlussstopfens, das heißt dessen vertikale Ausrichtung.
Ein bekannter Verschlussstopfen der gattungsgemäßen Art ist aus der EP 0 358 535 B2 sowie der WO 01/08837 bekannt. Auf die Offenbarung dort wird Bezug genommen.
Die Öffnung und der anschließende Gasauslasskanal dienen (auch) dazu, ein Gas durch den Verschlussstopfen hindurch in die Metallschmelze zu führen. Beim Verschlussstopfen der WO 01/08837 ist ein poröses Teil im Gasauslasskanal angeordnet. Das Gas dient der sekundärmetallurgischen Behandlung der Schmelze. Beispielsweise sollen damit nicht metallische Einschlüsse in der Schmelze durch Flotation entfernt werden. Wichtig in diesem Zusammenhang ist eine konstante Strömung des Behandlungsgases.
Befindet sich der Verschlussstopfen in einer Position mit Abstand zur Ausflussöffnung des Schmelzgefäßes, fließt Metallschmelze aus. Dabei kann durch die Strömung der Metallschmelze ein Unterdruck unterhalb des unteren Endes des Verschlussstopfens entstehen. Dieser Unterdruck kann so groß werden, dass die Gasströmung abreißt. Gleichzeitig kann Luft angesaugt werden. Beides ist unerwünscht.
Gemäß EP 01 79 837 B1 wird entlag der sackartigen Öffnung des Stopfens eine Dichtung angeordnet und das Behandlungsgas unterhalb der Dichtung in die sackartige Öffnung geleitet.
Die EP 1 401 600 B1 beschreibt einen gattungsgemäßen Verschlussstopfen (dort Monoblockstopfen genannt), bei dem in den Gasauslasskanal eine Kalibriereinrichtung eingebaut ist. Diese besteht aus einer Stange, die eine oder mehrere axiale Gaskanäle aufweist. Auf diese Weise soll ein bestimmter Strömungswiderstand eingestellt werden. Die bekannte Vorrichtung ist kompliziert in ihrer Herstellung. Außerdem ist es schwierig, einen bestimmten Strömungswiderstand einzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verschlussstopfen anzubieten, der leicht herstellbar ist und mit dem der Transport und die Zuführung von Gas, insbesondere Inertgas, in eine Metallschmelze effektiv und sicher erfolgen kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von folgenden Überlegungen aus: Die genannte sackartige Öffnung im Stopfenkörper weist üblicherweise eine kreisförmige Querschnittsfläche auf mit einem Durchmesser von mehreren Zentimetern. Der an die Öffnung anschließende Gasauslasskanal besitzt demgegenüber eine sehr viel kleinere Querschnittsfläche, üblicherweise mit einem Durchmesser von nur wenigen Millimetern.
Die große Öffnung erstreckt sich üblicherweise über weit mehr als die Hälfte der Gesamtlänge des Stopfenkörpers, während der Gasauslasskanal nur im zweiten unteren Endabschnitt verläuft und entsprechend kurz ist.
Um innerhalb des Verschlussstopfens einen gewissen Strömungswiderstand für das Gas einzustellen, ist es aber erforderlich, den endseitigen Gaskanal möglichst länger oder mit geringerem Durchmesser auszubilden. Aufgrund der skizzierten Anordnung sind beiden Maßnahmen Grenzen gesetzt.
Insoweit geht die Erfindung von der Überlegung aus, die Mittel zur Einstellung des Gas-Strömungswiderstandes aus dem Bereich des Gasauslasskanals am unteren, zweiten Ende des Verschlussstopfens in die darüber liegende Öffnung zu verlegen. Die gegenüber dem Gasauslasskanal sehr viel größere Öffnung muss dazu mit einem entsprechenden Füllkörper zumindest teilweise ausgefüllt werden. Dieser Füllkörper kann sich über eine entsprechende Teillänge der Öffnung (in Axialrichtung des Stopfenkörpers betrachtet) erstrecken und füllt dabei die gesamte Querschnittsfläche der Öffnung aus.
Die Verlagerung der Mittel zur Einstellung des Gas-Strömungswiderstandes in die Öffnung schafft zahlreiche Möglichkeiten, den Strömungswiderstand individuell einzustellen, je nachdem, an welcher Stelle der Öffnung über welche Länge der Füllkörper ausgebildet wird und wie viele Kanäle in welcher Form innerhalb des Füllkörpers angeordnet werden.
Danach betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Ausführungsform einen Verschlussstopfen für ein metallurgisches Schmelzgefäß mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
Der genannte Boden der Öffnung kann beliebig gestaltet sein. Er kann mehr oder weniger senkrecht zur Axialrichtung des Körpers verlaufen. Er kann auch gewölbt, beispielsweise konkav oder konvex gewölbt sein. Ebenso ist es möglich, den Bodenbereich – in Axialrichtung des Verschlussstopfens betrachtet – trichterförmig auszubilden, mit unmittelbarem Anschluss an den folgenden Gasauslasskanal.
Der Füllkörper (mit den darin verlaufenden Gaskanälen) kann – wie ausgeführt – eine nahezu beliebige Länge aufweisen. Seine Länge wird unter anderem davon abhängen, wie groß der Strömungswiderstand sein soll, der für die Gasströmung im jeweiligen Anwendungsfall gewünscht wird. Normalerweise wird der Füllkörper – in Axialrichtung des Körpers betrachtet – eine Länge aufweisen, die mindestens 5 % der Länge der Öffnung beträgt. Dieser Wert kann nach verschiedenen Ausführungsformen auch > 10 %, > 15 %, bis auf Werte > 25 % gesteigert werden.
Auch die Anordnung des Füllkörpers innerhalb der Öffnung ist nahezu beliebig. Der Füllkörper kann bis auf den Gasdurchlassbereich dicht sein.
Eine Anordnung des Füllkörpers unmittelbar benachbart zum Boden der Öffnung weist jedoch strömungstechnische Vorteile auf. Zu diesem Zweck ist sicherzustellen, dass die bodenseitige Öffnung des Gaskanals, der im Füllkörper verlauft oder im Kontaktbereich zwischen Füllkörper und Körper des Verschlussstopfens, in strömungstechnischer Verbindung mit der gaseinlassseitigen Öffnung des Gasaustrittskanals am unteren Ende des Stopfenkörpers (am so genannten Stopfenkopf) ist.
Üblicherweise werden Verschlussstopfen der genannten Art durch isostatisches Pressen hergestellt. Dabei wird in situ die Öffnung und der Gasauslasskanal ausgebildet. Beispielsweise bei einem solchen Stopfenkörper kann der Füllkörper nachträglich eingegossen werden. Ein mögliches Herstellungsverfahren dazu wird im Rahmen der anschließenden Figurenbeschreibung dargestellt.
Der Füllkörper kann aber auch ein gepresstes Teil sein, welches während der Herstellung oder nachträglich in die Öffnung des vorgepressten Stopfenkörpers eingesetzt wird.
Ein wesentliches Merkmal ist die Ausbildung des mindestens einen Gaskanals. Dieser Gaskanal verläuft in Axialrichtung des Füllkörpers das heißt in Axialrichtung des Stopfens. Der Gaskanal kann durch den Füllkörper verlaufen. Er kann auch auf der Außenwand des Füllkörpers in Form einer Nut ausgebildet sein. Die Wand der Öffnung begrenzt den Gaskanal dabei außenseitig. Umgekehrt kann die Wand der Öffnung eine Nut aufweisen und der Füllkörper (seine Umfangsfläche) begrenzt die Nut dann innenseitig, so dass ein Gaskanal entsteht. Neben der axialen Ausrichtung kann der Gaskanal parallel zur Mittenlängsachse des Verschlussstopfens oder spiralförmig um die Mittenlängsachse herum angeordnet sein, der Gaskanal kann auch mäanderförmig oder schraubenlinienförmig durch den Füllkörper hindurch oder zwischen Füllkörper und Körper geführt werden. Damit wird seine Länge zum Teil wesentlich größer als der kürzeste Abstand seiner endseitigen (unteren und oberen) Austrittsöffnungen.
Aus den genannten Gründen kann es vorteilhaft sein, einen längeren Gaskanal auszubilden. Dazu kann die Länge des Füllkörpers vergrößert werden. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Gestaltung liegt darin, dass der Füllkörper innerhalb der großen Öffnung angeordnet ist und damit eine erhebliche Querschnittsfläche aufweist.
Beispielsweise um das Eindringen von Fremdkörpern zu verhindern kann es sinnvoll sein, zumindest die obere Öffnung des Gaskanals des Füllkörpers und/oder das gaseintrittsseitige Endes des Gasauslasskanals mit einem porösen Filter, beispielsweise einem porösen, temperaturbeständigen Filterpapier oder mit einem porösen Stopfen abzudecken. Ein solches poröses, schwammartiges Element kann auch als Bestandteil des Füllkörpers vorgesehen werden.
Um eine möglichst turbulenzfreie Gasströmung zu erreichen, sieht eine weitere Ausführungsform der Erfindung vor, den Gasauslasskanal koaxial zur Mittenlängsachse des Körpers am zweiten Ende des Körpers austreten zu lassen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigen – in jeweils stark schematisierter Darstellung –
1: einen unteren Endabschnitt eines Verschlussstopfens im Längsschnitt während der Herstellung
2: eine Abbildung analog zu 1 im fertigen Zustand mit einem spezifischen Verlauf eines Gaskanals im Füllkörper.
In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern dargestellt.
In 1 ist ein unterer Abschnitt 10 eines stabförmigen Körpers eines Verschlussstopfens zu erkennen. Der stabförmige Körper besteht aus einem feuerfesten Werkstoff üblicher Art. Koaxial zur Mittenlängsachse M-M verläuft im Körper 10 eine Öffnung 12, die sich von einem (nicht dargestellten) oberen Ende des Körpers 10 in Richtung auf ein zweites unteres Ende 14 erstreckt und mit Abstand zu diesem Ende im Bereich eines Bodens 16 endet. Von diesem Boden 16, der in Richtung der Mittenlängsachse M-M eine sackartige Verlängerung 18 aufweist, erstreckt sich ein Gasauslasskanal 20 koaxial zur Mittenlängsachse M-M bis zum untersten Abschnitt des zweiten Endes 14.
1 zeigt eine Stufe der Herstellung des Verschlusskörpers, wobei der Körper 10 zunächst in üblicher Weise durch isostatisches Pressen hergestellt wurde. In einem nächsten Schritt wird ein Draht 22 über den Gasauslasskanal 20 eingezogen, wobei der Draht 22 an seinem freien unteren Ende eine Verdickung 22d aufweist, während der Abschnitt, der im Gasauslasskanal 20 einliegt, einen größeren Durchmesser aufweist (den Gasauslasskanal 20 weitestgehend ausfüllt) als der darüber verlaufende Abschnitt 22a, der sich durch die Öffnung 12 bis zum ersten oberen Ende des Verschlusskörpers erstreckt und dort auf nicht dargestellte Art temporär befestigt wird. Im nächsten Schritt wird ein feuerfester Beton in die Öffnung 12 eingefüllt und mit Hilfe eines Stößels vorgeschoben, bis etwa der schraffiert ausgebildete Bereich oberhalb des Gasauslasskanals 20 mit dem noch viskosen Beton ausgefüllt ist, der dabei den Draht 22 im Abschnitt 22a umschließt.
Sobald der Beton ausgehärtet ist, wird der Draht 22 entgegen seiner Zuführrichtung wieder entfernt. Dazu kann der Draht 22 am Kopf 22d gegriffen und nach unten ausgezogen werden. Parallel dazu wird in dem gegossenen Betonabschnitt 24, nachstehend als Füllkörper bezeichnet, ein entsprechender Gaskanal 26 ausgebildet, der sich in den Gasauslasskanal 20 fortsetzt.
Es ist ersichtlich, dass die Anzahl der im Füllkörper 24 ausgebildeten Gaskanäle 26, deren Größe sowie deren Verlauf beliebig einstellbar ist.
Anstelle eines oder mehrerer Drähte, die ausgezogen werden, können auch ausbrennbare Körper verwendet werden. Beim anschließenden Brennen des Verschlussstopfens kommt es durch Ausbrennen dieser Einlagen zur Ausbildung der gewünschten Gaskanäle in der gewünschten Anordnung und Geometrie.
Anstelle eines gegossenen Füllkörpers 24 kann dieser auch als vorgefertigtes, beispielsweise gepresstes Bauteil eingesetzt werden, wie in 2 skizziert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der gepresste Füllkörper-Einsatz 24 einen spiralartig gestalteten Gaskanal 26 auf, dessen unteres auslassseitiges Ende koaxial zur Mittenlängsachse M-M des Körpers 10 verläuft.
Eine weitere Alternative zeigt 3. Der Gaskanal 26 ist im Übergangsbereich von Füllkörper 24 und Körper 10 ausgebildet. Der Füllkörper 24 weist dazu eine spiralförmige Nut 26n auf seine Umfangsfläche 24u auf, die außenseitig von der Begrenzungswand 12i der Öffnung 12 begrenzt wird. Gemeinsam von Füllkörper 24 und Körper 10 wird dabei der Gaskanal 26 gebildet, der eine strömungstechnische Verbindung von der Öffnung 12 zum Gasauslasskanal 20 schafft.

Claims

Verschlussstopfen für ein metallurgisches Schmelzgefäß mit folgenden Merkmalen: a) einem stabförmigen Körper (10) aus mindestens einem feuerfesten keramischen Werkstoff, mit einem ersten oberen Ende und einem zweiten unteren Ende (14), b) vom ersten Ende erstreckt sich eine sackartige Öffnung (1.2) in Axialrichtung des Körpers (10) in Richtung auf das zweite Ende (14), c) die Öffnung (12) endet an einem Boden (16) mit Abstand zum zweiten Ende (14) des Körpers (10), d) ein Gasauslasskanal (20) verbindet die Öffnung (12) mit einem Oberflächenabschnitt im Bereich des zweiten Endes (14) des Körpers (10), e) der Gasauslasskanal (20) hat eine Querschnittsfläche, die kleiner ist als die Querschnittsfläche der Öffnung (12), f) über einen Teil der Öffnung (12) – in Axialrichtung des Körpers (10) betrachtet – erstreckt sich ein Füllkörper (24), g) durch den Füllkörper (24) oder zwischen Füllkörper (24) und Körper (10) verläuft mindestens ein Gaskanal (26) in Axialrichtung des Füllkörpers (24), parallel zur Mittenlängsachse des Verschlussstopfens oder spiral-, schraubenlinien- oder mäanderförmig oder gewindeartig, der die Öffnung (12) mit dem Gasauslasskanal (20) strömungstechnisch verbindet.
Verschlussstopfen nach Anspruch 1, bei dem der Füllkörper (24) – in Axialrichtung des Körpers (10) – eine Länge aufweist, die mindestens das 0,05-fache der Länge der Öffnung (12) beträgt.
Verschlussstopfen nach Anspruch 1, bei dem der Füllkörper (24) benachbart zum Boden (16) der Öffnung (12) verläuft.
Verschlussstopfen nach Anspruch 1, bei dem der Füllkörper (24) ein gegossenes Teil ist.
Verschlussstopfen nach Anspruch 1, bei dem der Füllkörper (24) ein gepresstes Teil ist.
Verschlussstopfen nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine Gaskanal (26) eine Länge aufweist, die größer ist als der kürzeste Abstand der endseitigen Austrittsöffnungen des Gaskanals (26).
Verschlussstopfen nach Anspruch 1, bei dem der Gasauslasskanal (20) koaxial zur Mittenlängsachse des Körpers (10) am zweiten Ende (14) des Körpers (10) austritt.
Verschlussstopfen nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine Gaskanal (26) zumindest teilweise von einer Oberflächen-Vertiefung des Füllkörpers (24) gebildet wird.
Verschlussstopfen nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine Gaskanal (26) zumindest teilweise von einer Oberflächen-Vertiefung auf einer Begrenzungswand (12i) der Öffnung (12) gebildet wird.