DE10235867B3

DE10235867B3 - Feuerfestes keramisches Bauteil

Info

Publication number: DE10235867B3
Application number: DE10235867A
Authority: DE
Inventors: Alexander Retschnig; Bernhard Longin; Dieter Pirkner
Original assignee: Refractory Intellectual Property GmbH and Co KG
Current assignee: Refractory Intellectual Property GmbH and Co KG
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-08-06
Also published as: EP1526940A1; CN1628006A; AU2003258559B2; CA2466646A1; BR0305743A; PL199731B1; US20040256775A1; EG23513A; AU2003258559A1; TW200414951A; MXPA04005836A; CN1298464C; RU2284246C2; ES2253708T3; TWI238748B; PL369961A1; EP1526940B1; DE50301952D1; ATE312678T1; RU2004113204A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein feuerfestes keramisches Bauteil, welches beispielsweise in Form eines Pralltopfes oder einer Schmelzrinne gestaltet sein kann.

Description

Eine Metallschmelze, die beispielsweise nach einer Pfannenbehandlung in ein Zwischengefäß (Tundish) gegossen wird, führt aufgrund der zum Teil hohen Strömungsgeschwindigkeit (zum Beispiel: 3 m/s) zu erheblichen mechanischen Belastungen des Bereiches der feuerfesten Tundishauskleidung, auf den die Schmelze auftrifft. Außerdem kommt es zu Turbulenzen zumindest im Umfeld der Auftreffstelle. Die kinetische Energie des Schmelzstrahls beträgt beispielhaft 2 bis 10 Ws/kg.

Um den Verschleiß der regulären Feuerfestauskleidung in Grenzen zu halten, ist es bekannt, den Auftreffbereich der Schmelze durch eine sogenannte Prallplatte zu verstärken.

Die Prallplatte kann aus hoch verschleißfesten feuerfesten Werkstoffen bestehen.

Darüber hinaus ist die Verwendung sogenannter Pralltöpfe bekannt ( WO 00/06324 , WO 97/37799 , EP 0 729 393 B1 , EP 0 790 873 B1 ).

Der Boden eines solchen Pralltopfs entspricht im wesentlichen einer Prallplatte. Die bekannten Pralltöpfe sind so gestaltet, das sie am oberen Ende, also dort, wo die Schmelze zugeführt wird, aber auch dort, wo die Schmelze den Pralltopf wieder verläßt, eine Querschnittsverjungung aufweisen. Auf diese Weise entsteht ein „hinterschnittenes" Profil.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges feuerfestes keramisches Bauteil konstruktiv zu optimieren, so daß zumindest eine, vorzugsweise alle der folgenden Aufgaben gelöst werden:

– geringer Verschleiß,
– gezielte Führung der Metallschmelze,
– Minimierung von Strömungsturbulenzen,
– leichte Herstellung.

Bei der Lösung dieser Aufgabe(n) geht die Erfindung von der Überlegung aus, das Bauteil so zu gestalten, daß einerseits eine Richtungsumlenkung der zugeführten Metallschmelze erfolgt, andererseits ein Abbau der kinetischen Energie der Schmelze.

Dabei soll die Strömungsumlenkung durch eine seitliche Begrenzung des Bauteils erfolgen. Zum Abbau der kinetischen Energie sieht die Erfindung eine spezielle Ausrichtung/Neigung der entsprechenden Innenflächen der Begrenzungswände vor.

Zum Beispiel durch eine im Vertikalschnitt trichterförmige Gestaltung des Bauteils (mit „trichterförmig" ist der innere, offene Querschnitt des Bauteils gemeint, in den die Metallschmelze gelangt) kann die kinetische Energie durch eine Art Diffusorwirkung abgebaut werden.

Art und Umfang des Energieabbaus hängen vom Neigungswinkel der Innenflächen der Wände ab.

Diese Aspekte gelten für Bauteile, die nach Art einer Rinne gestaltet sind, also mit einem Boden und zwei gegenüberliegenden, seitlichen Begrenzungswänden. Diese Überlegungen gelten aber auch in Hinblick auf topfförmige Bauteile, und zwar unabhängig von der (horizontalen) Querschnittsgeometrie, also beispielsweise für Pralltöpfe mit mehr oder weniger kreisförmigem, ovalem oder rechteckigem Innenquerschnitt.

Danach betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Ausführungsform ein feuerfestes keramisches einteiliges Bauteil mit folgenden Merkmalen:

– einem Boden,
– mindestens zwei Wänden,
– die Wände erstrecken sich von gegenüberliegenden Abschnitten des Bodens derart, daß ihre Innenflächen, zumindest abschnittweise, unter einem Winkel > 0 und < 90 Grad zu einer Ebene, senkrecht zum Boden, und mit entgegengesetzter Neigung verlaufen,
– zwischen freien Enden der Wände ist eine Öffnung ausgebildet,
– zwischen Boden und Öffnung gibt es mindestens einen Abschnitt, bei dem der Abstand der Wände geringer ist als in den zur Öffnung und zum Boden hin anschließenden Bereichen.

Dabei kann der Abstand der Innenflächen der Wände im Bereich der freien Enden der Wände und der bodenseitigen Enden der Wände größer sein als an mindestens einem Bereich dazwischen.

Der genannte Verlauf der Innenflächen der Wände verursacht eine Art „Einschnürung" zwischen dem bodenseitigen Ende (also dort, wo die Metallschmelze beim Angießen auftrifft) und dem gegenüberliegenden offenen Ende (also dort, wo die Metallschmelze austritt). Diese „Einschnürung" führt zu einer konstruktiven und funktionellen Gliederung des Bauteils.

In dem Bereich zwischen Boden und Einschnürung erfolgt ein effizienter Abbau der kinetischen Energie der Schmelze. Außerdem wird ein unkontrolliertes Spritzen (ein unkontrollierter Rückprall) der Metallschmelze vermieden.

In dem Bereich zwischen Einschnürung und (oberem) Auslaufende wird eine Art Diffusor ausgebildet. Durch die Querschnittsverbreiterung am auslaufseitigen Ende soll eine Interaktion der ausströmenden Metallschmelze mit dem (mittig) zugeführten Schmelzestrahl vermieden werden. Im Gegenteil: die Dimensionierung soll so erfolgen, dass es zu einer strömungstechnischen Beruhigung der rücklaufenden Metallschmelze kommt.

Diese funktionalen Vorgaben sind je nach Menge, Viskosität, Temperatur und/oder Geschwindigkeit der Metallschmelze konstruktiv umzusetzen, indem beispielsweise der bodenseitige Raum zur Energievernichtung ausreichend groß gewählt wird, um einerseits die gewünschte Reduzierung der kinetischen Energie der Schmelze zu erreichen, andererseits aber auch den Schmelzestrahl in gewünschter Weise umzulenken. Für das obere auslaufseitige Ende des Bauteils wird eine möglichst laminare, beruhigte Schmelzeströmung zumindest umfangsseitig gewünscht.

Der genannte Neigungswinkel beträgt nach einer Ausführungsform zwischen 10 und 80 Grad, nach einer weiteren Ausführungsform zwischen 30 und 60 Grad.

Soweit die entsprechende Einrichtung (das Bauteil) bereits mit flüssiger Metallschmelze gefüllt ist genügt im Prinzip der beschriebene Schrägverlauf der inneren Wandflächen. Bei einer Rinne wird hierdurch eine Art „V-förmiger Querschnitt des Förderraumes" zumindest oberhalb der Einschnürung für die Metallschmelze ausgebildet. Sofern die Form befällt wird kann die Metallschmelze, je nach Auftreffwinkel, unkontrolliert umherspritzen, bevor sie vom Boden wieder nach oben und aus dem Bauteil herausgeführt wird. Dies wird nun durch die erwähnte Querschnittsverminderung zwischen den Wänden (oberhalb des Bodens) verhindert.

Zur Vermeidung einer unkontrollierten Strömungsumlenkung sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, einzelne Wände oder mehrere Abschnitte der Innenflächen der genannten Wände mit unterschiedlichen Neigungswinkeln auszubilden. Auf diese Art und Weise können Schikanen, Strömungsbremsen oder Strömungsführungen an den Innenwänden des Bauteils und unsymmetrische Geometrien ausgebildet werden.

Dabei ist eine Ausführungsform möglich, bei der die dem freien Ende der Wand benachbarten Abschnitte einen größeren Neigungswinkel aufweisen als der dem Boden des Bauteils benachbarte Abschnitt. In jedem Fall soll sich der Innenquerschnitt des Bauteils zum freien, offenen Ende hin vergrößern.

Die einzelnen Neigungsabschnitte können entweder unmittelbar (kontinuierlich) ineinander übergehen (wie ausgeführt, auch mit unterschiedlichen Winkeln). Es ist aber auch möglich, die Innenflächen der genannten Wände – im Schnitt betrachtet – mit einem Sägezahnprofil auszubilden, so daß „hinterschnittene Zonen" wandseitig ausgebildet werden, die als Strömungsbremse auf die Metallschmelze wirken. Die erwähnte Einschnürung kann von einer solchen „Zahngeometrie" gebildet werden.

Ebenso können die Innenflächen der Wände abgerundete, gegeneinander gerichtete Profilabschnitte aufweisen oder nutartige Vertiefungen.

Beispielsweise bei einer Rinnenform bietet es sich an, die Innenflächen der gegenüberliegenden Wände spiegelbildlich und die gesamte Anordnung gegebenenfalls symmetrisch zu gestalten.

Eine solche Ausführungsform wird auch in der folgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.

Neben der genannten Rinnenform kann das Bauteil auch topfartig gestaltet sein.

Durch eine gekrümmte Ausbildung der Wandflächen lassen sich diese endseitig verbinden, so daß ein geschlossenes Bauteil mit beispielsweise ovalem oder rundem Innenquerschnitt (und/oder Außenquerschnitt) gebildet wird. Ebenso können mindestens zwei weitere Wände vorgesehen werden, die die beiden bereits beschriebenen Wände unter Ausbildung einer (rechteckigen oder mehreckigen) Topfform verbinden.

Aus strömungstechnischer Sicht bieten sich rotationsymmetrische Formen an.

Profilierungen der umlaufenden Innenwand können dabei schraubenartig, gewindeartig oder wendelartig verlaufen.

Das Verhältnis Höhe : Breite (des von den Wänden begrenzten Innenraums) kann in weiten Bereichen schwanken. Es wird in der Regel > 2:1 bis 1:4 betragen, kann ohne weiteres aber auch bis zum Verhältnis 1:15 gehen. Gleiches gilt für das Verhältnis Höhe : maximaler Durchmesser bei den beschriebenen topfartigen Geometrien.

Insbesondere bei den beschriebenen Ausführungsformen, bei denen der Querschnitt der Öffnung zwischen den Wänden am auslaufseitigen Ende der Schmelze größer ist als am bodenseitigen Ende kann das Bauteil in der Regel problemlos einteilig hergestellt werden, zum Beispiel durch Gießen oder Pressen. Etwaige Hinterschnitte können beispielsweise durch ausbrennbare Füllkörper bei der Herstellung ausgebildet werden.

Durch Auswahl verschiedener Neigungswinkel beziehungsweise Profilierungen der Innenwände ist eine exakte und individuelle Gestaltung des Bauteils zur Anpassung an die Form und Eigenschaften (Menge, Strömungsgeschwindigkeit, Strahldurchmesser des eintretenden Metallstrahles möglich). Damit läßt sich auch die Strömungslenkung und der Abbau der kinetischen Energie einstellen.

Zwischen strömungslenkenden Flächen, insbesondere zur Vertikalen geneigte Flächen, können Verbindungsflächen auch horizontal (parallel zum Boden), vertikal (senkrecht zum Boden), mit einem Neigungswinkel > 90° zur Vertikalen oder mit gekrümmtem Profil angeordnet werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen die 1 bis 4, jeweils in stark schematisierter Darstellung und im Querschnitt, unterschiedliche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Bauteils.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern dargestellt.
Das Ausführungsbeispiel nach 1 zeigt eine mögliche Grundgeometrie eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Boden 10. Zwei Wände 12, 14 erstrecken sich mit Wandabschnitten 12u, 14u von gegenüberliegenden Abschnitten 101, lOr des Bodens 10, und zwar in die gleiche Richtung (nämlich nach oben), jedoch mit entgegengesetzter Neigung, und zwar zunächst gegeneinander gerichtet (bis zu einem minimalen Abstand d_min) und dann auseinander laufend (Wandabschnitte 12o, 14o) Der maximale Abstand der unteren Wandabschnitte 12u, 14u der Wände 12, 14 ist mit d angegeben, der Abstand der oberen Abschnitte der Wände 12, 14 im Bereich ihrer freien Enden 12r, 14r ist durch D gekennzeichnet. Wobei D und d > d_min sind und D > d. Die Wände 12, 14 verlaufen spiegelbildlich zu einer gedachten Symmetrieebene E-E. Der Neigungswinkel a der unteren Abschnitte der Wände 12, 14 beträgt ca. 70° zur Oberseite des Bodens 10. Die oberen Abschnitte der Wände 12, 14 verlaufen unter einem Winkel b von ca. 20° zu einer Ebene parallel zur Ebene E-E.
Insgesamt ergibt sich für das Bauteil damit eine Querschnittsgeometrie des von den Wänden begrenzten Innenraumes R, die der einer Eieruhr ähnlich ist.
In Pfeilrichtung Z1 zugeführte Metallschmelze gelangt auf den Boden 10 und wird in Pfeilrichtung Z2 umgelenkt und schließlich in Pfeilrichtung Z3 wandseitig nach oben geführt, bis sie über den äußeren Rand 12r, 14r der Wände weggeführt wird.
Zwischen Boden 10 und der genannten Einschnürungsstelle 11 erfolgt ein Abbau der kinetischen Energie der zugeführten Schmelze. Durch die Querschnittsverjüngung wird gleichzeitig ein unkontrolliertes Herumspritzen der Schmelze vermieden. In dem Abschnitt zwischen der Einschnürung 11 und der oberen Öffnung 0 (zwischen den Innenflächen der Randabschnitte 12r, 14r) wird eine Diffusorzone ausgebildet, in der die Schmelze wandseitig ungestört und in laminarem Fluß aus dem Bauteil austreten kann, während mittig (gemäß Pfeil Z1) neue Metallschmelze in das Bauteil eintreten kann.
Das Bauteil gemäß 1 ist als Rinne gestaltet.
Gleiches gilt für das Bauteil nach 2. Auch dieses ist gegenüber einer Symmetrieebene E spiegelbildlich gestaltet, so daß die weitere Geometrie nur anhand der (linken) Wand 12 erläutert wird und analog für die Wand 14 gilt.
Vom Boden 10 verläuft zunächst ein erster Innenwandabschnitt 12.1 unter einem Winkel a zur Ebene E-E von etwa 45 Grad. An diesen Abschnitt schließt ein parallel zum Boden 10 verlaufender Abschnitt 12.2 an, der nach Innen (in Richtung auf die gegenüberliegende Wand 14) verläuft. An diesen Abschnitt 12.2 schließt sich ein weiterer Abschnitt 12.3 an, der unter einem Winkel β von circa 40 Grad zur Ebene E-E bis zum oberen Rand 12r der Wand 12 verläuft. Zwischen den Abschnitten 12.2 und 12.3 ist der Wandabstand d_m _in also am kleinsten.
Es ergibt sich insgesamt für den Innenraum R des Bauteils eine im wesentlichen V-förmige Geometrie zwischen Boden 10 und äußerem Rand 12r, 14r, jedoch mit einer hinterschnittenen Zone 20. Diese führt zu einer kontrollierten Richtungsumlenkung der zugeführten Metallschmelze. Es erfolgt eine Durchwirbelung des umgelenkten Schmelzestrahles. Die Schmelze verliert ihre Strömungsrichtung. Die kinetische Energie wird unmittelbar nach dem Angießen und danach weitestgehend vernichtet.
Das Ausführungsbeispiel nach 3 ähnelt dem nach 2, wobei es sich bei dem hier dargestellten Bauteil allerdings um ein rotationssymmetrisch gestaltetes, topfartiges Bauteil handelt, also um eine Art Pralltopf. Die Rotationssymmetrie ergibt sich in Bezug auf eine gedachte Mittenlängsachse M-M.
In Abwandlung zum Ausführungsbeispiel nach 2 ist die Innenwand 12 zwischen den Abschnitten 12.1 und 12.3 durch einen weiteren Schrägabschnitt 12.4 und einen weiteren horizontal verlaufenden Abschnitt 12.5 charakterisiert, wodurch sich eine weitere, hinterschnittene Zone 22 ergibt. Der Neigungswinkel γ des Abschnitts 12.4 ist größer als der Neigungswinkel β des Abschnitts 12.3.
Im Sinne der Erfindung kann die in 3 dargestellte gegenüberliegende Wandfläche als Wandfläche 14 bezeichnet werden. Technisch betrachtet handelt es sich natürlich um dieselbe Wandfläche 12, die im linken Teil der Figur dargestellt ist, weil diese Wand aufgrund der beschriebenen Topfgeometrie umläuft.
Der Boden 10 weist eine kalottenartige Oberfläche 10o auf, die auch umgekehrt gewölbt sein könnte.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Pralltopfes, wobei sich an einen unteren, geneigten Wandabschnitt 12.1 ein Wandabschnitt 12.6 anschließt, der senkrecht zum Boden 10 verläuft und der von einer wulstartigen Innenwandfläche 12.7 gefolgt wird, die sich zum freien äußeren Rand 12r des Pralltopfes hin nach außen erweitert, so daß der Pralltopf am oberen freien Ende einen deutlich größeren Innendurchmesser Q aufweist als im Bereich der Aufprallfläche 24 des Bodens 10 (Durchmesser n). Wiederum zwischen dem Bodenbereich 10 und der Öffnung 0 ist die Stelle mit dem geringsten Querschnitt des Raums R (q_m _in).
Auch mit der in 4 beschriebenen Geometrie ergibt sich eine umlaufende hinterschnittene (nutartige) Zone 20, die der Umlenkung und Beruhigung der metallurgischen Schmelze sowie dem Abbau der kinetischen Energie der Schmelze dient.
Der Körper kann eintelig aus einer Gießmasse (zum Beispiel auf Basis Al₂O₃) hergestellt werden.

Claims

Feuerfestes keramisches einteiliges Bauteil mit folgenden Merkmalen: 1.1 einem Boden (10), 1.2 mindestens zwei Wänden (12, 14), 1.3 die Wände (12, 14) erstrecken sich von gegenüberliegenden Abschnitten (10l, 10r) des Bodens (10) derart, daß ihre Innenflächen, zumindest abschnittweise (12.1, 12.3, 12.4) unter einem Winkel > 0 und < 90 Grad zu einer Ebene E-E, senkrecht zum Boden (10), und mit entgegengesetzter Neigung, verlaufen, 1.4 zwischen freien Enden (12r, 14r) der Wände (12, 14) ist eine Öffnung (0) ausgebildet, 1.5 zwischen Boden (10) und Öffnung (O) gibt es mindestens einen Abschnitt (11), bei dem der Abstand (d_min, q_min) der Wände (12, 14) geringer ist als in den zur Öffnung (O) und zum Boden (10) hin anschließenden Bereichen (12u, 14u; 12o, 14o).
Bauteil nach Anspruch 1, bei dem jede Innenfläche mehrere Abschnitte (12.1, 12.3, 12.4, 12.7) mit unterschiedlichen Neigungswinkeln aufweist.
Bauteil nach Anspruch 1, bei dem jede Innenfläche mehrere Abschnitte (12.1, 12.3, 12.4, 12.7) mit unterschiedlichen Neigungswinkeln aufweist und der dem freien Ende (12r, 14r) der Wände (12, 14) benachbarte Abschnitt (12.3, 12.7) einen größeren Neigungswinkel aufweist als der dem Boden (10) benachbarte Abschnitt (12.1).
Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die Innenflächen der Wände (12, 14) – im Schnitt betrachtet – ein Sägezahnprofil aufweisen.
Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die Innenflächen der Wände (12, 14) abgerundete, gegeneinander gerichtete Profilabschnitte (12.7) aufweisen.
Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die Innenflächen der Wände (12, 14) mindestens eine nutartige Vertiefung (20, 22) aufweisen.
Bauteil nach Anspruch 6, bei dem die nutartige Vertiefung (20, 22), über ihre Längserstreckung betrachtet, einen geneigten Verlauf hat.
Bauteil nach Anspruch 1, bei dem gegenüberliegende Innenflächen der Wände (12, l4) spiegelbildlich gestaltet sind.
Bauteil nach Anspruch 1 in Form einer nach oben offenen Rinne.
Bauteil nach Anspruch 1 mit mindestens zwei weiteren Wänden, die die beiden Wände (12, 14) unter Ausbildung einer Topfform verbinden.
Bauteil nach Anspruch 1, mit einer Topfform mit ovaler, rechteckiger oder kreisförmiger Geometrie in der Draufsicht.
Bauteil nach Anspruch 1, mit einem Verhältnis Höhe : Breite oder Höhe maximaler Durchmesser des von den Wänden (12, 14) umschlossenen Raumes (R) von : 2:1 bis 1:4.
Bauteil nach Anspruch 1 mit einem Verhältnis des von den Wänden (12, 14) umschlossenen Raumes (R) von Höhe : Breite oder Höhe : maximaler Durchmesser bis 1:15.
Bauteil nach Anspruch 1 mit einem Neigungswinkel der Innenflächen der Wände (12, 14) zwischen 10 und 80 Grad.
Bauteil nach Anspruch 1 mit einem Neigungswinkel der Innenflächen der Wände (12, 14) zwischen 30 und 60 Grad.
Bauteil nach Anspruch 1 mit einem kalottenartigen Boden (10).
Bauteil nach Anspruch 1, bei dem sich der Abstand der Innenflächen der Wände (12, 14) zu deren freien Enden (12r, 14r) hin erweitert.
Bauteil nach Anspruch 1, bei dem der Abstand der Innenflächen der Wände (12, 14) im Bereich der freien Enden (12r, 14r) und der bodenseitigen Enden (12b, 14b) der Wände (12, 14) größer als ist an mindestens einem Bereich (11) dazwischen.