DE1508263B1 - Vorrichtung zur Spuelgasbehandlung von Metall-,vorzugsweise von Stahlschmelzen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der das Erstarrungsgefüge der Schmelze unabhängig zur Spülgasbehandlung von Metallschmelzen, insbe- von einer eventuellen Vakuumbehandlung beeinflußt sondern von in Kokillen erstarrenden Stahlschmel- wird. Dies liegt nicht nur daran, daß die bekannten

zen, mit einer aus zwei ineinandergeschraubten Tei- Tauchlanzen keine homogene Verteilung des Spül-

len bestehenden Düse mit einem zentralen Gaskanal 5 gases in der Schmelze gestatten, sondern auch daran,

und mit diesem in Verbindung stehenden Austritts- daß die Lanzen bei einer Spülgasbehandlung bereits

Öffnungen zwischen den einander axial gegenüberlie- in Kokillen vergossener, bei fallender Temperatur

genden Berührungsflächen beider Düsenteile, wobei hochviskoser Schmelzen schließlich im erstarrten

sich zwischen der Stirnfläche des Zapfens und dem Block einfrieren würden.

Boden der Bohrung der Schraubverbindung eine io Bekannt ist es aus der Zeitschrift »VAKUUM-

Kammer befindet. Mit einer derartigen Vorrichtung TECHNIK«, 1964. Heft 3. S. 80 bis 84, auch zur

können gasförmige Behandlungsmittel, insbesondere Pfannenentgasung im Vakuum ein Rührgas vom

Inertgase in mehr oder minder deiner Verteilung zum Pfannenboden her durch einen porösen Stein einzu-

Zv/ecke der Raffination und Beeinflussung des Er- leiten. Ein derartiger, jedoch am Ende eines in einer

starrungsgefüges durch Metallschmelzen geblasen 15 zentralen Bohrung der Unterlagsplatte liegenden Zu-

werden. leitungsrohrs angeordneter Porösstein wird nach der

Die Begasung einer Schmelze kann beispielsweise USA.-Patentschrift 3 208 117 auch zur Kokillenbe-

der Entfernung schädlicher Gase oder Fremdstoffe, gasung verwendet. Diese Vorrichtung leidet jedoch

wie Wasserstoff oder Mangansulfid, dienen, die sich unter dem Nachteil, daß der Bodenstein und das Zu-

vornehmlich bei der Temperaturverringerimg wäh- 20 leitungsrohr im Blockfuß verbleiben, so daß sich

rend der Erstarrung abscheiden. Des weiteren kann große Schwierigkeiten beim Strippen des Blocks sowie

die Spülgasbehandlung zur Homogenisierung der ein nicht unerheblicher Blockverlust ergeben.

Temperatur und zur Beseitigung von Konzentrations- Schließlich ist aus der deutschen Patentschrift

unterschieden sowie zur Wärmezu- oder -abfuhr 660 094 auch ein Verfahren zum Desoxydieren und

durchgeführt werden. Darüber hinaus findet die Be- 25 gegebenenfalls Aufkohlen von Stahl oder Gußeisen

gasung von Metallschmelzen zur Beeinflussung des mittels reduzierender Gase bekannt, bei dem die

Erstarrungsgefüges im Sinne einer feinkörnigen und Schmelze beim Verlassen der Gießpfanne aus einer

gleichmäßigen Struktur ein weites Anwendungs- am Ausguß mündenden Gaszuführung das Gas injek-

gebiet. torartig ansaugt, wobei ein Teil des Gases in den

Es sind eine Reihe von Vorrichtungen bekannt, mit 30 Gießstrahl eindringt, während ein anderer Teil ihn

denen Spülgase in flüssige Metalle eingeleitet werden schlauchartig umgibt. Bei diesem Verfahren kommt

können. So wird in der französischen Patentschrift eine axial durchbohrte Stopfenstange zur Verwen-

1 188 658 eine Vorrichtung beschrieben, bei der eine dung, die mit einem ebenfalls durchbohrten Stopfen

rohrförmige Lanze durch eine zentrale Bohrung der versehen ist, sowie ein mit schräg verlaufenden Boh-

Unterplatte in das Innere einer Kokille ragt. Diese 35 rungen versehener Bodenstein. Eine Vorrichtung die-

bekannte Vorrichtung besitzt jedoch, abgesehen von ser Art ist auch aus der schweizerischen Patentschrift

ihrer geringen Wirksamkeit, den Nachteil, daß die 341 949 bekannt. Sie eignet sich jedoch nicht zur

Lanze durch das sie umgebende flüssige Metall sehr Spülgasbehandlung einer erstarrenden Schmelze, da

schnell weggeschmolzen wird und nach dem Ab- das Spülgas die Schmelze längst verlassen hat, ehe

schalten der Gaszufuhr die Möglichkeit besteht, daß 40 der Erstarrungsvorgang beginnt. Außerdem ist bei

das noch flüssige oder zähe Metall in den Lanzen- Benutzung der bekannten Vorrichtung stets nur der

stumpf oder in die Bohrung der Unterlagplatte ein- Gießstrahl mit Spülgas beladen, während die in der

dringt, woraus sich große Schwierigkeiten beim Strip- Kokille befindliche Schmelze spülgasfrei ist. so daß

pen des Blocks sowie ein entsprechender Material- der Erstarrungsvorgang vom Spülgas nicht mehr be-

verlust ergeben können. 45 einflußt wird. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß

Eine aus der deutschen Patentschrift 888 146 be- die bekannten Vorrichtungen eine Dosierung der kannte Vorrichtung besteht aus einer in die Schmelze Spülgasmenge nicht zulassen, da das Spülgas zum zu tauchenden und mit Asbestschnur umwickelten Teil von der ausströmenden Schmelze angesaugt wird. L-förmigen Lanze mit in der Vertikalen liegenden Eine mehrteilige Vorrichtung zum Einblasen von Bohrungen für den Austritt des Spülgases. Mit dieser 50 Spülgasen in Metallschmelzen ist auch aus der Zeit-Tauchlanze können jedoch nur in einer Pfanne be- schrift »JOURNAL OF METALS«, 1963, S. 205 bis findliche hochflüssige Schmelzen, nicht aber bereits 209, bekannt; sie besteht aus einem Metallrohr, dessen in Kokillen vergossene, bei fallender Temperatur Eintauchende mit einer keramischen Hülse versehen hochviskose Metalle behandelt werden. Zudem er- ist, auf die ein Düsenkopf aus feuerfestem Werkstoff geben sich große Schwierigkeiten bei der Wärmeiso- 55 aufgeschraubt ist. Der Düsenkopf besitzt mehrere lierung der rohrförmigen Lanze. Das gilt auch für Radialbohrungen, die in eine kleine Kammer an der ähnliche, in »STAHL UND EISEN«, 1962, Stirnseite des Rohrs münden. Zwischen der Stirnseite S. 1488/89, der deutschen Auslegeschrift 1 144 009, des Rohrs und dem Düsenkopf befindet sich ein der deutschen Patentschrift 888 146 und der USA.- Dichtungsring, der verhindert, daß das Spülgas in die Patentschrift 3 208 117 beschriebene Vorrichtungen 60 Windungen des Schraubgewindes eindringt,
zur Pfannenbegasung von Metallschmelzen, bei denen Abgesehen von den bereits erwähnten Nachteilen das Spülgas über eine axial durchbohrte Tauchlanze sind die zuvor beschriebenen Vorrichtungen jedoch als Rührgas zur Erzeugung einer Umwälzbewegung auch deswegen ungeeignet, weil sie die physikalischbei teilweise gleichzeitiger Anwendung einer Va- technischen Gegebenheiten bei der Spülgasbehandkuumbehandlung in die Pfannenschmelze eingeleitet 65 lung von Metallschmelzen nicht hinreichend berückwird, sichtigen.

Mit diesen bekannten Vorrichtungen läßt sich So ist die Wirksamkeit einer Spülgasbehandlung in

keine gezielte Spülgasbehandlung durchführen, bei starkem Maße von den äußeren Bedingungen abhän-

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gig, insbesondere von der Blasengröße. Je kleiner meidung einer Durchwirbelung der Schmelze wesentnämlich der Durchmesser der Blasen ist, desto größer lieh ist.

ist die vom Blasendurchmesser abhängige Gesamt- Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Oberfläche des Gases und die Diffusion, die durch die Verschraubung der beiden Düsenteile und der Gas-Größe der Berührungsfläche zwischen Schmelze und 5 kanal bzw. die Bohrungen so dimensioniert sein, daß Gas bestimmt wird. Weiterhin verkürzen sich bei grö- bei einer Uberbeanspruchung der Düse durch zu hohe ßerer Blasenzahl auch die Diffusionswege, die bei- Temperatur und/oder zu hohen Druck eine Dehnung spielsweise das auszuspülende Gas zurückzulegen hat. in den Gewindegängen bzw. im Gewindehals erfolgt, Schließlich ist auch die Aufstiegsgeschwindigkeit für die zur Bildung eines Ringspaltes in der Berührungsein bestimmtes Spülgas bei konstanter Temperatur io ebene der beiden Düsenteile führt. Der Ringspalt beentsprechend dem Stokesschen Gesetz allein vom sitzt dabei einen verhältnismäßig großen freien Quer-Quadrat des Radius abhängig d. h., je kleiner der schnitt im Vergleich zum Gesamtquerschnitt der Blasendurchmesser ist, desto geringer ist auch die Düsen, so daß sich automatisch ein starker Druck-Aufstiegsgeschwindigkeit, abfall sowie eine Erhöhung der ausströmenden spezi-

Um diesen physikalischen Gegebenheiten gerecht 15 fischen Gasmenge ergibt. Dadurch wird die Spannung zu werden, ist es erforderlich, daß nicht nur die An- in der Düse vermindert und infolge der vergrößert zahl der Düsenöffnungen so groß wie möglich ist, austretenden Gasmenge die Düse selbst gekühlt, sondern die Öffnungen sollten auch gleich groß sein Druckverminderung und Kühlung führen gleichzeitig und einen möglichst kleinen Querschnitt besitzen. dazu, daß eine weitere, zum Brechen, Abreißen oder Darüber hinaus muß die Düse während der Spülgas- 20 Platten führende Dehnung der Düse verhindert wird, behandlung völlig, d. h. gasdicht vom flüssigen Metall Sowohl in bezug auf die Herstellung als auch hinumgeben sein, so daß ein freies Ausströmen des Ga- sichtlich des freien Austrittsquerschnitts der Düsen ses ausgeschlossen ist und das Gas tatsächlich in Form hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn kleinster Blasen im flüssigen Metall aufsteigt. Schließ- erfindungsgemäß die radialen Berührungsflächen von lieh dürfen die Öffnungen während des Blasens weder 25 Schaft oder Kopf zentripetale Rillen, Kerben oder verstopfen noch durch erstarrendes Material ver- Nuten aufweisen. Solche Rillen, die — wie Versuche schlossen werden oder sich infolge Erwärmung durch ergeben haben — vorzugsweise einen freien Querdas flüssige Metall vergrößern. Ein weiteres wesent- schnitt von weniger als 0,1 mm² besitzen, lassen sich liches Erfordernis, das bei den bekannten Vorrich- ohne großen Aufwand und mit stets gleichbleibendem tungen nicht hinreichend berücksichtigt wurde, ergibt 30 freien Querschnitt ohne weiteres herstellen,
sich daraus, daß das Material der Düse in bezug auf Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das flüssige Metall benetzbar sein muß, da sich zwischen den radialen Berührungsflächen von Schaft andernfalls ein großer Teil des ausströmenden Spül- und Kopf jedoch auch ein Düsenring mit radialen gases unmittelbar nach dem Verlassen der einzelnen Bohrungen und/oder Rillen angeordnet sein. Besitzt Düsenöffnungen zu großen Blasen vereinigt. 35 der Düsenring sowohl auf seiner oberen als auch auf

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be- seiner unteren radialen Fache Rillen, dann kann auf steht nun darin, unter Berücksichtigung der vorer- diese Weise der freie Gesamtquerschnitt der Auswähnten technisch-physikalischen Gegebenheiten eine trittsöffnungen erheblich vergrößert oder aber bei ge-Begasungsvorrichtung zu schaffen, die eine durchgrei- gebenem Gesamtquerschnitt der freie Querschnitt fende und die gesamte Schmelze über einen längeren 40 jeder einzelnen Düsenöffnung erheblich verringert Zeitraum erfassende Spülgasbehandlung gestattet. werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung ergibt sich daraus, daß bei einfacher Lagerhaltung

der eingangs erwähnten Art, bei der der zentrale Gas- durch Einsetzen eines hinsichtlich Zahl, Anordnung

kanal in die zwischen der Stirnfläche des Gewinde- und Querschnitt der Austrittsöffnungen entsprechen-

zapfens und dem Boden der Gewindebohrung lie- 45 den Düsenringes jeder speziellen Spülgasbehandlung

gende Kammer einmündet und über achsparallele Rechnung getragen werden kann.

Bohrungen an dem Gewindezapfen mit einer Ring- Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in

kammer am Fuße der Schraubverbindung verbunden der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen

ist, von der die Austrittsöffnungen zwischen den Be- des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigt

rührungsflächen der aus einem in bezug auf das zu 50 F i g. 1 eine aus Schaft mit aufgeschraubtem Kopf

behandelnde flüssige Metall benetzbaren Material be- bestehende Düse nach der Erfindung,

stehenden Düsenteile in Form radialer Rillen und/ Fig. 2 eine Draufsicht auf den Düsenkopf nach

oder Bohrungen ausgehen. Fig. 1,

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich ins- F i g. 3 eine erfindungsgemäße Düse, die aus einem

besondere dazu, in Kokillen vergossene Schmelzen 55 in den Schaft eingeschraubten Düsenkopf besteht,

vom Eingießen bis zum Erstarren mit neutralen oder F i g. 4 eine Düse nach der Erfindung, bei der zwi-

reduzierenden, in der Schmelze unlöslichen Gasen zu sehen den radialen Berührungsflächen von Düsen-

behandeln. Hierfür eignen sich Tauchlanzen über- kopf und -schaft ein Düsenring angeordnet ist, und

haupt nicht, da bei der Spülgasbehandlung die in die F i g. 5 eine besondere Gestaltung der Gasaustritts-

Kokille eintauchenden Teile in den Block einfrieren 60 zone der Düse.

würden. Im übrigen ermöglicht erst der erfindungs- Die erfindungsgemäße Düse besteht aus einem abgemäße Düsenkopf im Gegensatz zu den bekannten gesetzten Schaft 6 mit einem zentralen Gaskanal 7 Vorrichtungen, da er aus einem Metall besteht, die und achsparallelen, auf den Umfang des abgesetzten Anordnung von Austrittskanälen mit definiertem Teiles verteilten Bohrungen 8. Auf das Außengewinde Austrittsquerschnitt. Dies ist neben der Benetzbarkeit 65 des abgesetzten Teiles des Schaftes 6 ist ein als eine der Grundvoraussetzungen für eine genaue Do- Schraubkappe ausgebildeter Düsenkopf 9 geschraubt, sierung der Spülgasmenge, die sowohl für die Beein- dessen Bohrungstiefe so gewählt ist, daß sich zwiflussung des Erstarrungsgefüges als auch für die Ver- sehen der Stirnseite des Schaftes 6 und dem Kopf 9

eine Kammer 11 ergibt. Der zentrale Gaskanal 7 mündet in diese Kammer, von der aus die achsparallelen Bohrungen 8 in eine Ringkammer 12 am Fuße des abgesetzten Schaftteiles führen. In die Ringkammer 12 münden eine Vielzahl von beispielsweise in der Berührungsfläche des Düsenkopfes 9 angeordneten radialen Austrittskanälen 13.

Die Düse kann auch aus einem als Schraubkappe ausgebildeten Schaft 14 bestehen, der auf den mit einem Außengewinde versehenen abgesetzten Teil eines Düsenkopfes 15 aufgeschraubt ist. Die Tiefe der Bohrung des Schaftes 14 ist dabei so gewählt, daß sich zwischen der Stirnseite des Düsenkopfes 15 und dem Boden der Schaftbohrung eine Kammer 16 ergibt, in die ein zentraler Gaskanal 17 einmündet und von der aus einzelne achsparallele Bohrungen 18 zu einer Ringkammer 19 führen. In die Ringkammer 19 münden dabei einzelne, in die Berührungsfläche des Düsenschaftes 14 eingeprägte radiale Rillen 21.

Die Düse nach Fig. 3 kann auch so dimensioniert sein, daß zwischen den planparallelen Berührungsflächen von Düsenschaft und -kopf ein Düsenring 22 mit sowohl auf seiner Ober- als auch auf seiner Unterseite angeordneten und in eine Ringkammer 23 einmündenden Gasaustrittsöffnungen 24 bzw. 25 (Fig. 4) liegt. Schließlich können Düsenschaft und -kopf im Bereich ihrer Berührungsflächen auch je eine Abschrägung 26 besitzen, die beim Zusammensetzen der Düse eine in Höhe des Düsenringes 22 verlaufende V-förmige Ringnut ergeben.

Das durch den zentralen Gaskanal 7, 17 in die Kammern 11, 16 geleitete Spülgas gelangt über die achsparallelen Bohrungen 8, 18 in den Ringraum 12, 19, 23 und verläßt diesen in dem Querschnitt der Austrittsöffnungen 13, 21, 23, 25 entsprechenden kleinsten Bläschen.

Obgleich sich die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders für die Begasung von in einer Kokille befindlichen erstarrenden Schmelzen eignet, kann sie selbstverständlich auch für die Spülgasbehandlung von in anderen Gefäßen, beispielsweise in Pfannen befindlichen Schmelzen Verwendung finden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Spülgasbehandlung von Metallschmelzen, insbesondere von in Kokillen erstarrenden Stahlschmelzen, mit einer aus zwei ineinandergeschraubten Teilen bestehenden Düse mit einem zentralen Gaskanal und mit diesem in Verbindung stehenden Austrittsöffnungen zwischen den einander axial gegenüberliegenden Berührungsflächen beider Düsenteile, wobei sich zwischen der Stirnfläche des Zapfens und dem Boden der Bohrung der Schraubverbindung eine Kammer befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Gaskanal (7, 17) in die zwischen der Stirnfläche des Gewindezapfens und dem Boden der Gewindebohrung liegende Kammer (11, 16) einmündet und über achsparallele Bohrungen (8, 18) an dem Gewindezapfen mit einer Ringkammer (12, 19, 23) am Fuße der Schraubverbindung verbunden ist, von der die Austrittsöffnungen zwischen den Berührungsflächen der aus einem in bezug auf das zu behandelnde flüssige Metall benetzbaren Material bestehenden Düsenteile in Form radialer Rillen und/oder Bohrungen (13, 21, 24, 25) ausgehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (13, 21) in die radialen Berührungsflächen eines der beiden Düsenteile eingeprägt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den radialen Berührungsflächen der beiden Düsenteile ein Düsenring (22) mit den radialen Bohrungen und/oder Rillen (24, 25) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Querschnitt der einzelnen radialen Rillen oder Bohrungen (13, 21, 24, 25) unter 0,1 mm² liegt.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine an den Düsenteilen in Höhe der Berührungsflächen verlaufende V-förmige Ringnut (26).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen