DE4410289C1 - Gasspüleinrichtung zum wandseitigen Einbau in metallurgische Schmelzgefäße - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasspüleinrichtung zum wand­ seitigen Einbau in ein metallurgisches Schmelzgefäß. Unter dem Begriff metallurgisches Schmelzgefäß sind solche metallurgischen Gefäße subsumiert, in denen Metall aufge­ schmolzen oder flüssiges Metall behandelt wird.

Gasspüleinrichtungen der gattungsgemäßen Art, über die Behandlungsgase in die Metallschmelze eingedüst werden, sind seit vielen Jahren in unterschiedlichsten Bauformen bekannt. Eine Übersicht gibt die Radex-Rundschau 1987, 288.

Derartige individuelle Gasspülsteine können sowohl im Boden wie im Wandbereich eines metallurgischen Schmelzgefäßes eingebaut werden. Üblicherweise geschieht dies über einen sogenannten Lochstein; aber auch der unmittelbare Einbau eines Gasspülsteins in eine monolithische Auskleidung gehört zum Stand der Technik.

Wesentliche Spülsteintypen sind die sogenannten Fugenspüler, Spülsteine mit "ungerichteter Porosität" und Spülsteine mit "gerichteter Porosität". Beim Fugenspüler erfolgt die Gas­ zufuhr über einen Ringspalt zwischen einem dichten kera­ mischen Körper und dem umhüllenden Blechmantel. Spülsteine mit sogenannter "ungerichteter Porosität" sind gekennzeich­ net durch ein feuerfestes Material offener Porosität, durch das das Spülgas geführt wird. Gasspülsteine mit "gerichteter Porosität" sind gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Kanälen mit geringem Durchmesser in einer dichten feuer­ festen Matrix, wobei der Gastransport entlang der Kanäle erfolgt.

Aus der DE 39 11 881 C1 ist eine Variante eines Gasspül­ steins mit gerichteter Porosität bekannt, bei dem die Kanäle (gerichteten Poren) von Röhrchen gebildet werden, die als eigenständige Teile nach dem Brand des Gasspülsteins in ent­ sprechend vorbereitete Durchgangskanäle eingeklebt oder eingemörtelt sind.

Dieser, aus der DE 39 11 881 C1 bekannte Gasspülstein soll insbesondere in einem Vakuumgefäß zur Durchführung eines RH, DH oder RH-OB Entgasungsverfahrens eingesetzt werden. Dabei erfolgt der Einbau wandseitig oberhalb des sogenannten Rüssels des Vakuumgefäßes.

Dieselbe Patentschrift schlägt auch vor, mehrere derartiger gebrannter Gasspülsteine mit eingeklebten Röhrchen in der Seitenwand einzubauen.

Gasspülsteine nach der DE 39 11 881 C1 haben sich grund­ sätzlich bewährt.

Bei nachlassendem Gasdruck oder Erosionserscheinungen im Gasaustrittsbereich dieser Gasspülsteine können jedoch zu Metallschmelzeinfiltrationen führen, die unerwünscht sind.

Alternative Ausführungsformen von Gasspülsteinen für den genannten Anwendungsbereich sind deshalb als sogenannte Schlitzspüler gestaltet, das heißt, die gerichteten Poren weisen eine Schlitzform und keine Kreisringform wie die Röhrchen auf. Die Oberflächenspannung der Metallschmelze ist in der Regel so groß, daß hierbei Infiltrationen in die schlitzförmigen Kanäle so gut wie ausgeschlossen sind. Dies gilt auch dann, wenn die Gaszuführung abgeschaltet wird.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Gasspülsteine bei zunehmender Erosion zum Teil zu Austrittsquerschnitten führen, die nicht nur relativ groß sind, sondern auch undefiniert. Hierdurch wird eine gewisse Randgängigkeit verursacht. Ein weiteres Problem besteht darin, daß durch die vergrößerte Querschnittsfläche das Spülgas nicht mehr tief genug horizontal in die Metallschmelze eindringen kann. In Versuchen wurde vielmehr beobachtet, daß das Spülgas überwiegend nur noch wandseitig aufsteigt und damit seinen eigentlichen Zweck nicht mehr uneingeschränkt erfüllen kann.

Mit anderen Worten: das Spülgas tritt dann in größeren Blasen und geringem Druck in die Stahlsäule und strömt an der Innenwand des Rüssels und nicht im Zentrum der Metall­ schmelze nach oben.

Aus der DE 37 16 388 C1 sowie der DE 35 38 498 A1 sind jeweils Gasspüleinrichtungen bekannt, die mehrere Gasspül­ einsätze aufweisen können.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht demzu­ folge darin, eine Gasspüleinrichtung zur Verfügung zu stellen, die bei wandseitigem Einbau eine gleichmäßige Gaszufuhr in die Metallschmelze sicherstellt, und zwar mög­ lichst tief in die Metallschmelze hinein, so daß eine homo­ gene Gasverteilung in der Metallschmelze erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung zunächst von der Überlegung aus, daß dieses Ziel dadurch erreicht werden kann, indem mehrere Gasspülsteine beabstandet zueinander angeordnet werden, über die das Behandlungsgas unterschied­ lich tief in die Metallschmelze eingeführt werden kann. Dabei kann zum Beispiel ein Gasspüleinsatz so ausgebildet sein, daß das in die Metallschmelze geführte Gas unmittelbar nach dem Austritt aus dem Gasspüleinsatz wandseitig nach oben strömt, während ein weiterer Gasspüleinsatz so ausge­ legt ist, daß das Gas tief in die Metallschmelze hineinge­ führt wird. Weitere Gasspüleinsätze können den Bereich zwischen den beiden vorgenannten Gasspüleinsätzen mit Gas beschicken.

In ihrer allgemeinsten Ausführungsform betrifft die Erfin­ dung danach eine Gasspüleinrichtung zum wandseitigen Einbau in ein metallurgisches Schmelzgefäß, wie ein Vakuumgefäß zur Durchführung eines RH, DH oder RH-OB Entgasungsverfahrens, mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Die Gasspüleinrichtung besteht aus einem Basiskörper aus einem feuerfesten, keramischen Werkstoff.

In diesem Basiskörper sind (nach dem wandseitigen Einbau) mindestens zwei Gasspüleinsätze beabstandet übereinander angeordnet.

Die Gasspüleinsätze besitzen, soweit sie denselben konstruk­ tiven Aufbau zeigen eine unterschiedliche Querschnittsfläche am gasauslaßseitigen Ende. Folglich tritt das Gas bei dem Gasspülstein mit größerer Querschnittsfläche mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit aus als aus einem Gasspüleinsatz mit geringerer Querschnittsfläche. Entsprechend dringt das Behandlungsgas mehr oder weniger tief in die Metallschmelze ein.

Nach einer alternativen Ausführungsform sind die Gasspül­ einsätze in konstruktiver Hinsicht unterschiedlich aufgebaut. Konstruktiv heißt dabei, daß sie sich bezüglich ihres strukturellen Aufbaus unterscheiden. So kann zum Beispiel ein Gasspüleinsatz mit ungerichteter Porosität und ein Gasspüleinsatz mit gerichteter Porosität ausgebildet werden.

Dabei ist es möglich, die Gasspüleinsätze mit unterschiedlich großen Gasmengen beziehungsweise mit Gas unterschiedlichen Drucks zu beschicken. So können sowohl konstruktiv baugleiche wie konstruktiv unterschiedliche Gasspüleinsätze zu unterschiedlichen Spülwirkungen führen, wenn sie mit unterschiedlichem Gasdruck beziehungsweise unterschiedlichen Gasmengen beaufschlagt werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Gasspüleinrichtung sind durch die Merkmale der Unteransprüche beschrieben.

Dabei können die Gasspüleinsätze einer Gasspüleinrichtung beispielsweise wie folgt aufgebaut sein:

• - sie weisen denselben konstruktiven Aufbau mit ungerichte­ ter Porosität auf, besitzen aber eine unterschiedliche Querschnittsfläche zumindest am gasaustrittsseitigen Ende, oder
• - die Gasspüleinsätze weisen denselben konstruktiven Aufbau, jedoch mit gerichteter Porosität auf und die Zahl der ge­ richteten Poren ist unterschiedlich groß, oder
• - mindestens ein Gasspüleinsatz ist mit gerichteter und mindestens ein Gasspüleinsatz mit ungerichteter Porosität ausgebildet, oder
• - mindestens zwei Gasspüleinsätze weisen eine ungerichtete Porosität auf, wobei die Porosität mindestens eines Gas­ spüleinsatzes jedoch größer ist als die mindestens eines weiteren Gasspüleinsatzes, oder
• - mindestens zwei Gasspüleinsätze weisen eine gerichtete Porosität auf, wobei die Querschnittsfläche der einzelnen gerichteten Poren mindestens eines Gasspüleinsatzes jedoch größer ist als die Querschnittsfläche der einzelnen gerichteten Poren mindestens eines weiteren Gasspülein­ satzes.

Dem Fachmann stehen eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten zur Verfügung, mehrere Gasspüleinsätze (in einer gemeinsamen Gasspüleinrichtung) anzuordnen, die bezüglich der Gasaus­ trittsmenge und des Gasaustrittsdrucks unterschiedlich aus­ gelegt sind.

Soweit ein Gasspüleinsatz mit gerichteter Porosität ver­ wendet wird, bietet es sich an, diesen als sogenannten Schlitzspüler zu gestalten, das heißt, die einzelnen Poren­ kanäle mit rechteckigem Querschnitt auszubilden, wobei die Breite üblicherweise 1 mm nicht überschreitet.

Schlitzspüler und Spüler mit ungerichteter Porosität haben den Vorteil, daß auch bei abgeschalteter Gaszufuhr keine Metallschmelze in die Spüler infiltriert.

Die eingangs beschriebene Gefahr einer Randgängigkeit wird dadurch verringert beziehungsweise ausgeschlossen, indem die Gasspüleinsätze blechummantelt sind. Die Gasspüleinsätze können mit einem Blechmantel vorkonfektioniert in eine ent­ sprechende korrespondierende Öffnung in der Gasspülein­ richtung eingesetzt werden und werden dort zum Beispiel über einen Mörtel festgelegt.

Bei dieser Ausführungsform kann eine Gasverteilkammer un­ mittelbar an den Blechmantel des Gasspüleinsatzes anschließen, und zwar am gaseinlaßseitigen Ende. Eine solche Gasverteilkammer, die beispielsweise von einem Metallkasten gebildet wird, kann zu jedem Gasspüleinsatz individuell ausgebildet werden; es liegt aber auch im Rahmen der Erfin­ dung, eine gemeinsame Gasverteilkammer für alle Gasspülein­ sätze vorzusehen, wodurch der Herstellungsaufwand verringert wird. In jedem Fall ist es aber vorteilhaft, wenn der Metallrahmen der Gasverteilkammer unmittelbar an die Blech­ mäntel der Gasspüleinsätze anschließt, so daß Gasdiffusionen in das keramische Matrixmaterial der Gasspüleinrichtung sicher vermieden werden.

Aus der DE 37 16 388 C1 ist zwar ein Gasspülstein zum Ein­ satz in metallurgische Schmelzgefäße bekannt, der in ein­ zelne, gasdicht voneinander abgetrennte Abschnitte unter­ teilt ist und an eine oder mehrere Gaszuführleitungen an­ schließbar ist. Bei diesem Gasspülstein kommt es jedoch darauf an, daß die einzelnen Abschnitte nacheinander zuge­ schaltet werden können, um so die Gasspüleinrichtung ins­ gesamt länger nutzen zu können und auch ohne Reparatur- oder Austauschmaßnahmen beispielsweise 40 oder 50 Chargen mit einer Gasspüleinrichtung fahren zu können.

Im Gegensatz dazu ist die erfindungsgemäße Gasspülein­ richtung so ausgelegt, daß die einzelnen Gasspülabschnitte in der Regel gleichzeitig mit Gas beaufschlagt werden, je­ doch das aus den einzelnen Gasspüleinsätzen austretende Gas aufgrund der vorstehend beschriebenen Maßnahmen unterschied­ lich tief in die Metallschmelze eindringt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispieles näher beschrieben. Dabei zeigen - jeweils in stark schematisierter Darstellung -

Fig. 1 Eine perspektivische Ansicht einer erfindungsge­ mäßen Gasspüleinrichtung mit 5 Gasspüleinsätzen.

Fig. 2 Eine Aufsicht auf die Gasspüleinrichtung nach Fig. 1.

Fig. 3 Einen Schnitt durch die Gasspüleinrichtung nach Fig. 1 im Bereich eines Gasspüleinsatzes.

Fig. 1 zeigt einen Basiskörper 10 aus einem feuerfesten, keramischen Werkstoff, der einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.

Im Basiskörper 10 verlaufen fünf kegelstumpfförmige Aus­ nehmungen 12a-e, in die fünf Gasspüleinsätze 14a-e eingemörtelt sind.

Jeder der Gasspüleinsätze 14a-e ist umfangsseitig blechum­ mantelt, wie Fig. 3 zeigt, und am gaseinlaßseitigen Ende (bei 16) an eine gemeinsame Gasverteilkammer 18 angeschlos­ sen, die sich über den gesamten Bodenbereich 10b des Basis­ körpers 10 erstreckt und aus einem Metallkasten besteht, der eine Öffnung 20 (mit einem Ansatzstutzen) zur zentralen Gas­ zuführung (bei 16) aufweist.

Wie insbesondere Fig. 3 zeigt, schließt der metallische Rahmen der Gasverteilkammer 18 unmittelbar an die Blechum­ mantelung 22 an, so daß zwischen der Gaszuführung (bei 16) und dem gasaustrittsseitigen Ende (bei 24) eine komplette Gasdichtigkeit gegenüber dem Basiskörper 10 gegeben ist, so daß das Gas nicht in den Basiskörper 10 diffundieren kann, sondern vielmehr direkt über die Gasverteilkammer 18 und die Gasspüleinsätze 14a-e in die Metallschmelze geführt werden kann.

Von besonderer Bedeutung ist nun die konstruktive Gestaltung der Gasspüleinsätze 14a-e.

Der Gasspüleinsatz 14a weist eine ungerichtete Porosität auf, die hier schematisch durch eine Schraffur dargestellt ist.

Die Gasspüleinsätze 14b-e sind sogenannte Schlitzspüler, wobei der Gasspüleinsatz 14b fünf Schlitze, der Gasspül­ einsatz 14c vier Schlitze und die Gasspüleinsätze 14d und e jeweils drei Schlitze aufweisen.

Dabei ist die Schlitzgröße (Querschnittsfläche der Schlitze) vom Gasspüleinsatz 14b bis zum Gasspüleinsatz 14e kontinuier­ lich abnehmend. Mit anderen Worten: der Gasspüleinsatz 14b weist nicht nur fünf Schlitze auf, vielmehr sind diese auch mit größerem Querschnitt ausgebildet als die vier Schlitze des Gasspüleinsatzes 14c und die drei Schlitze des Gasspül­ einsatzes 14d sind zwar kleiner als die Schlitze des Gas­ spüleinsatzes 14c, aber größer als die des Gasspüleinsatzes 14e.

Bei gleichmäßig anstehendem Gasdruck über die Gasverteil­ kammer 18 ergibt sich daraus folgendes:

Das Gas tritt gleichmäßig über die gesamte Querschnitts­ fläche am gasaustrittsseitigen Ende des Gasspüleinsatzes 14a unter relativ geringem Druck aus und strömt weitestgehend ausschließlich im Randbereich nach oben.

Die erhöhte Zahl der Schlitze und die größere Öffnungsweite der Schlitze sorgt beim Gasspüleinsatz 14b dafür, daß das Gas etwas tiefer in die Metallschmelze eindringt als das über den Gasspüleinsatz 14a zugeführte Gas.

Entsprechend ist die Eindringtiefe des Gases beim Gasspül­ einsatz 14c wiederum etwas größer als bei 14b, aber kleiner als beim Gasspüleinsatz 14d. Der Gasspüleinsatz 14e, der lediglich drei Schlitze mit sehr geringem Querschnitt auf­ weist, sorgt dafür, daß von hier aus das Gas mit der größten Eindringtiefe in die Metallschmelze geführt werden kann.

Auf diese Weise ist über die Höhe des vertikal eingebauten Basiskörpers 10 zum Beispiel in einem RH-Vakuumgefäß sicher­ gestellt, daß die Gaszuführung praktisch kontinuierlich über die gesamte Metallschmelze erfolgt und somit eine gleich­ mäßige metallurgische Behandlung erfolgen kann. Die Stahl­ geschwindigkeit im Einlaufrüssel des RH-Vakuumgefäßes wird über den gesamten Querschnitt gleichgehalten, das heißt, sie ist im Randbereich wie auch im Zentrum annähernd gleich.

Bei RH-Anlagen können Gasspüleinrichtungen der genannten Art in beide Rüssel (Tauchrohre) eingebaut und abwechselnd beaufschlagt werden.

Claims (10)

1. Gasspüleinrichtung zum wandseitigen Einbau in ein metallurgisches Schmelzgefäß, bestehend aus einem Basiskörper (10) aus einem feuerfesten, keramischen Werkstoff, sowie mindestens zwei, beabstandet voneinander im Basiskörper (10) angeordneten Gasspüleinsätzen (14a-e), die denselben oder einen unterschiedlichen konstruktiven Aufbau aufweisen und an Gaszuführleitungen anschließbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasspüleinsätze (14a-e) beim wandseitigen Einbau der Gasspüleinrichtung übereinander angeordnet sind und bei demselben konstruktiven Aufbau eine unterschiedliche Querschnittsfläche am gasauslaßseitigen Ende aufweisen und daß über die Gaszuführleitungen den Gasspüleinsätzen (14a-e) unterschiedlich große Gasmengen und/oder Gas mit unterschiedlichem Druck zuführbar ist/sind.

2. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Gasspüleinsätze denselben konstruktiven Aufbau mit ungerichteter Porosität, aber eine unterschiedliche Querschnittsfläche am gasaustrittsseitigen Ende aufweisen.

3. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Gasspülein­ sätze (14b-e) denselben konstruktiven Aufbau mit gerichteter Porosität aufweisen, die Zahl der gerichteten Poren jedoch unterschiedlich groß ist.

4. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 1, bei der mindestens ein Gasspüleinsatz (14b-e) gerichtete Porosität und mindestens ein Gasspüleinsatz (14a) ungerichtete Porosität aufweist.

5. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 1, bei der mindestens zwei Gasspüleinsätze eine ungerichtete Porosität aufweisen, wobei die Porosität mindestens eines Gasspüleinsatzes größer ist als die eines weiteren Gasspüleinsatzes.

6. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 1, bei der mindestens zwei Gasspüleinsätze (14b-e) eine gerichtete Porosität aufweisen, wobei die Querschnittsfläche der einzelnen gerichteten Poren mindestens eines Gasspüleinsatzes (14b-d) größer ist als die Querschnittsfläche der einzelnen gerichteten Poren mindestens eines weiteren Gasspüleinsatzes (14c-e).

7. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 1, bei der mindestens ein Gasspüleinsatz (14b-e) als Schlitzspüler ausgebildet ist.

8. Gasspüleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Gasspüleinsätze (14a-e) blechummantelt (22) sind.

9. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 8, bei der die einzelnen Gasspüleinsätze am gaseinlaßseitigen Ende jeweils an eine Gasverteilkammer angeschlossen sind, die von einem Metallkasten gebildet wird, der gasdicht mit dem Blechmantel des zugehörigen Gasspüleinsatzes verbunden ist.

10. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 8, bei der die einzelnen Gasspüleinsätze (14a-e) am gaseinlaßseitigen Ende an eine gemeinsame Gasverteilkammer (18) angeschlossen sind, die von einem Metallkasten gebildet wird, der gasdicht mit den Blechmänteln (22) der Gasspüleinsätze (14a-e) verbunden ist.