EP3452240B1 - Gasspülvorrichtung - Google Patents

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EP3452240B1
EP3452240B1 EP16723049.9A EP16723049A EP3452240B1 EP 3452240 B1 EP3452240 B1 EP 3452240B1 EP 16723049 A EP16723049 A EP 16723049A EP 3452240 B1 EP3452240 B1 EP 3452240B1
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EP
European Patent Office
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gas
base part
functional part
coupling
purging device
Prior art date
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Active
Application number
EP16723049.9A
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English (en)
French (fr)
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EP3452240A1 (de
Inventor
Marcos TOMÁS CASADO
Bianca BROSZ
Michael FREILER
Michael Klikovich
Roman Kulp
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Refractory Intellectual Property GmbH and Co KG
Original Assignee
Refractory Intellectual Property GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP3452240A1 publication Critical patent/EP3452240A1/de
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/10—Supplying or treating molten metal
    • B22D11/11—Treating the molten metal
    • B22D11/116—Refining the metal
    • B22D11/117—Refining the metal by treating with gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D1/00—Treatment of fused masses in the ladle or the supply runners before casting
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
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    • F27D3/16—Introducing a fluid jet or current into the charge
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    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/04—Removing impurities by adding a treating agent
    • C21C7/072—Treatment with gases

Definitions

  • the invention relates to a gas flushing device for installation in a metallurgical vessel.
  • Gas flushing devices of the generic type are used for blowing gases or gas / solid mixtures into a melt to be treated, in particular a metallurgical melt which is treated in a so-called metallurgical vessel.
  • the metallurgical vessel can be, for example, a so-called pan (English: ladle) or in particular a so-called intermediate vessel (English: tundish).
  • Gas purging elements with so-called directed porosity are known, in which the gas is guided along channels / slots, and gas purging elements with so-called undirected porosity, in which the gas flows through an irregular open pore volume (similar to a sponge).
  • gas purging devices gas purging elements, gas purging stones
  • gas purging elements gas purging elements, gas purging stones
  • gas purging stones can be arranged in or on the metallurgical vessel in different ways, for example in the bottom or in the wall of the vessel.
  • the invention relates in particular to a gas purging device which is placed in the bottom area of a tundish.
  • the tundish itself has floor and walls, each of which has a refractory lining on the inside.
  • fire-resistant gas flushing elements with different gas permeability are installed in the bottom of a tundish.
  • the device consists of several parts, all of which must be replaced in the event of wear.
  • DE 37 16 920 A1 discloses a gas purging device for a pan with a lower gas breakthrough block with a gas line extending from the lower to the upper end; the upper end of the gas line is provided with a thread which corresponds to the threaded sleeve of the gas purging cone, the gas purging cone and the gas breakthrough safety block resting against one another; the gas purging plug is surrounded by a steel jacket, which acts as a gas distribution device; the gas breakthrough block and the gas purging plug are made of refractory material.
  • the invention has for its object to offer a gas purging device of the type mentioned, which has a high safety standard and can be easily replaced in the event of wear.
  • a treatment gas must be led to the wall or floor area of the metallurgical vessel.
  • This part can be analogous to Permanent lining of the refractory lining of the metallurgical vessel is formed by a base part of the gas flushing device which, with the exception of the gas line, can be gas-tight (since it only serves to supply the gas and not to distribute the gas).
  • This base part is made of fireproof ceramic material and has a high wear resistance, so that it has to be replaced rarely or not at all.
  • a functional part is provided for the distribution of the gas into the molten metal, which is preferably easy to assemble and easy to replace because it is a wearing part.
  • the wear is due to the gas distribution in the functional part and to metallurgical attacks, in particular corrosion and abrasion by the metal melt.
  • This functional part is at least partially gas-permeable, that is to say it has gas-permeable sections.
  • the gas that flows in via the gas line in the base part is to be led through the gas-permeable sections into the molten metal.
  • the invention provides a flow connection (gas connection) in the transition area from the base part to the functional part, that is to say a type of coupling, the connection / coupling should be releasable.
  • the coupling comprises at least two sections, namely a first section at the gas outlet end of the gas line on the base part and a second section which is arranged on the functional part.
  • the functional part can be connected to the base part by pushing the functional part onto the base part (pushing it on, clipping it on).
  • the sections of the coupling are fluidically connected to one another, and a continuous gas flow from the gas line in the base part via the coupling to one or more gas outlet surfaces on the functional part is possible.
  • the gas purging device has at least two parts.
  • the basic part takes on the task of supplying gas to the functional part.
  • the base part can remain in the metallurgical vessel.
  • the base part can be placed so that it does not come into contact with the molten metal.
  • the gas line in the base part, through which the gas is supplied, can remain permanently in the metallurgical vessel and does not have to be replaced (or at least much less frequently than the functional part).
  • the base part can therefore be arranged in the bottom of the metallurgical vessel so that its surface is more or less flush with the refractory bottom of the metallurgical vessel.
  • the base part can also protrude from the bottom of the vessel.
  • the functional part is then placed on the base part (embodiments for this are described below) in such a way that the coupling sections of the base part and functional part allow a fluidic connection for the gas from the base part into the functional part.
  • the geometry of the base part and functional part is preferably such that both parts of the gas purging device complement one another in a form-fitting manner.
  • the functional part is already positioned on the base part via the coupling. In order to avoid loosening of the functional part in relation to the base part, it is expedient to additionally mechanically secure the functional part and base part. If the functional part extends between opposite walls of the metallurgical vessel, this can be done by the refractory walls of the metallurgical vessel covering the two end sections of the functional part. Alternatively, it can be fixed using additional (discrete) refractory components (for example: wedges).
  • a wearing part (the Functional part) must be replaced regularly, while the base part can be used over a much longer cycle and is therefore permanently installed in the metallurgical vessel. This applies analogously to the gas line running in the base part.
  • the gas pipe can either be a discrete pipe running in the refractory material of the base part; alternatively, the gas line can also be formed in-situ in the refractory material of the base part.
  • the first end of the gas line is connected to a gas supply, the second end to the coupling.
  • the coupling comprises at least two sections, but can also be in several parts. In any case, there is a section the coupling part of the base part and a section of the coupling part of the functional part.
  • the coupling has several functions: It serves primarily to create a fluidic connection for the gas from the base part to the functional part. But it also serves as an adjustment device when connecting the functional part and base part.
  • a coupling part can protrude above the associated component (base part, functional part), while the corresponding coupling section is formed by a recess in a surface of the other component (functional part, base part).
  • this leads to a kind of "tongue and groove connection" between the base part and the functional part with a male section (English: male part) and a female section (English: female part).
  • a form-fit joint makes it possible to avoid gas diffusion and to guide the gas along the desired path.
  • the first section of the coupling protrudes, for example, beyond the second outer surface of the base part and the second section of the coupling is formed by a corresponding recess in the connection surface of the functional part.
  • the second outer surface of the base part can be an upper surface of the base part and the outer connection surface of the functional part can be a lower surface of the functional part. In the functional position of the device, both surfaces are preferably horizontal. In this case, the functional part can be attached to the base part from above.
  • the base part and functional part can be designed so that a vertical cross-section shows one of the following geometries: rectangle, square, trapezoid, triangle, polygon, part circle, U-shape, L-shape.
  • Other geometries of the base part and functional part, which complement each other in a form-fitting manner, are also possible.
  • the gas distribution device in the functional part is essential for the gas distribution in the metallurgical vessel.
  • the aim is to direct the gas from the coupling to one or more surfaces (sections) of the functional part before it flows into the molten metal.
  • a gas channel first leads from the coupling to a gas distribution chamber within the functional part.
  • Gas-permeable zones of the functional part run from this gas distribution chamber to the surface sections of the functional part, via which the gas flows from the functional part into the molten metal. These zones can be designed with non-directional porosity and / or directional porosity.
  • the gas purging device When the gas purging device is arranged in the bottom of the metallurgical vessel (tundish), it follows that the gas-permeable zones of the functional part run in particular "above the gas distribution chamber", although gas-permeable zones arranged to the side of the gas distribution chamber are also possible.
  • a “lower region of the functional part” to be gas-tight, that is to say in particular a region of the functional part adjacent to the base part and / or horizontally to the side of the coupling, so that the gas can be directed in the direction of the gas-permeable zones.
  • the gas-permeable zone (s) in the functional part can be formed in-situ or as discrete (separate) inserts.
  • the functional part has, in addition to the gas distribution chamber, a zone which has all or part of an undirected and / or directional open porosity. It is also possible to arrange several zones which are fluidically connected or are independent of one another.
  • the size and design of the gas distribution chamber is adapted in order to create the most advantageous possible contact surface with the gas-permeable zones of the functional part.
  • the gas line in the base part runs from a first end in the area of a vertical lateral outer surface of the base part largely horizontally through the base part and then ascending to the first section of the coupling.
  • the gas line in the base part can have a spiral section, which forms a type of break-through protection for any penetrating metal melt, which can solidify (freezes) more quickly in the region of the spiral section.
  • the coupling can be arranged at any point on the base part or functional part.
  • An eccentric (eccentric) arrangement results in an additional safety function to make incorrect assembly of the base part and functional part impossible.
  • the functional part can be rotatable relative to the base part, the coupling functioning as a swivel joint.
  • the coupling does not have to ensure absolute gas tightness. Nevertheless, a gas-tight connection, for example with the aid of seals, is useful in order to guide the gas specifically to the porous (gas-permeable) zones of the functional part.
  • the coupling sections can be discrete components that are attached to the base part and functional part; the coupling sections can also be formed in-situ on or in the refractory material of the base part and functional part.
  • Figure 1 shows a base part 10 made of refractory ceramic material in the form of a square bar ( Figure 3 ) in the form of an elongated cuboid with six outer surfaces running at right angles to each other, of which in Figure 1 a first outer surface 101 (small side surface on the left) and an upper (large) end surface 10o are designated.
  • a gas line 12 made of metal extends approximately horizontally into the base part 10 from a first end in the region of the side surface 101, and then has a spiral section 12s which opens into a lower end 14u of a first coupling section 14, which is a discrete metallic component is fastened in a corresponding recess in the base part 10.
  • the upper end 14o projects above the upper end face 10o of the base part 10, the projecting part 14o of the coupling section 14 being cylindrical and having a gas outlet connection 14s in the center, which projects freely upwards.
  • Figure 2 shows an associated functional part 20, again in the form of an elongated cuboid ( Figure 3 ), the functional part 20 being longer (length L) in the longitudinal direction (horizontal direction) than the base part 10 (length 1).
  • the functional part 20 has a lower connection surface 20u, in which a circular recess 26v is formed in the center (in the longitudinal direction L), which is formed by a cup-shaped melall part.
  • the recess 26v has an upward extension 26e, but with a smaller diameter.
  • the extension 26e consists of a metal sleeve, the recess 26v and the extension 26e form a second coupling section 26. Alternatively, they can also be formed in-situ in the refractory material of the functional part 20.
  • Extension 26e and recess 26v are dimensionally designed such that the first coupling section 14 (upper section 14o, connecting piece 14s) of the base part fits flush (gas-tight) into the second coupling part 26 (recess 26v, extension 26e) on the functional part 20 when the functional part 20 is placed with its underside 20u on the top 10o of the base part 10 ( Fig. 3 ).
  • a seal for example a refractory graphite seal, can be used between the connector 14s and the inner wall of the extension 20e.
  • a bore 22 extends vertically upward from the extension 26e to a gas distribution chamber 24 running horizontally in the functional part 20.
  • the refractory material below the gas distribution chamber and laterally next to the gas distribution chamber 24 is largely gas-tight.
  • the zone 22z of the refractory material running above the gas distribution chamber 24 is gas-permeable and has an undirected (open) porosity.
  • the upper free end face 200 of the functional part is the surface that bears against a molten metal in the functional position of the device. The gas is released into the melt via the surface 20o.
  • the base part 10 and the functional part 20 are assembled as in Figure 3 shown by the functional part 20 is placed on the base part.
  • the base part may have been firmly anchored in the metallurgical vessel beforehand ( Fig. 4 ).
  • the functional part 20 is placed on the base part 10 such that the recess 26v and the extension 26e (which form the second section 26 of the coupling) are positively placed on the upper section 14o and the socket 14s (which form the first section 14 of the coupling) become.
  • the functional part 20 can then be brought into the functional position about an axis AA, which runs centrally and vertically through the coupling sections, by rotating the functional part 20 horizontally, in which the functional part 20 is aligned with the base part 10 ( Fig. 4 ).
  • the base part 10 is in the bottom B of the metallurgical vessel (Tundish T in Fig. 4 ) installed and the gas line 12 connected to a gas supply.
  • the functional part 20 is then - as previously described - put on.
  • the functional part 20 is fixed in the metallurgical vessel as in Fig. 4 shown in that a wall-side fire-resistant cladding W of the metallurgical vessel (T) is applied in such a way that it covers end sections 20l, 20r of the functional part 20.
  • This will solve the problem Functional part 20 avoided in operation compared to the base part 10 as soon as gas is released via the gas line 12, through the coupling (14, 26) and the gas distribution chamber 24 as well as the porous zone 22z and the surface 20o into an associated metal melt.
  • the embodiment according to Figure 5 differs from the embodiment Figures 1 to 4 only through the concrete geometric shape of the base part and functional part 20.
  • Base part 10 and functional part 20 are again rod-shaped.
  • an L-shaped part is cut away at an end section (in the longitudinal direction of the base part), so that a U-shape of the base part 10 results in a side view, one U-leg 10k being shorter and narrower than the other U- Leg 10b, with a connecting portion 10v therebetween.
  • the end section ends at a distance from the center (M) of the base part.
  • the other end section (on the right in the figure) is shaped analogously, but in mirror image to a plane that runs vertically through the base part at B / 2, where B is the width of the base part 10.
  • a cylindrical space R is formed between the two U-shaped end sections, into which a cylindrical pin Z protrudes, which is part of the functional part 20 and between end sections of the functional part 20.
  • the end sections of the functional part 20 are each designed to correspond to the end sections of the base part 10, so that there is a positive fit when the functional part 20 is first placed with its coupling part (not shown) on the coupling part (not shown) of the base part 10 and then the Functional part counterclockwise (Arrow) is rotated horizontally.
  • the coupling parts are designed as in the first embodiment.
  • the finished assembly position corresponds to that according to the first embodiment.
  • the undercuts H which are formed by the shorter leg 10k, the connecting web 10v and the wider leg 10b, achieve a mechanical fixation of the functional part 20 on the base part 10 when the corresponding legs of the functional part are inserted into the corresponding undercuts H of the base part .

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gasspülvorrichtung zum Einbau in ein metallurgisches Gefäß.
  • Gasspülvorrichtungen der gattungsgemäßen Art dienen zum Einblasen von Gasen oder Gas-/Feststoffgemischen in eine zu behandelnde Schmelze, insbesondere eine metallurgische Schmelze, die in einem sogenannten metallurgischen Gefäß behandelt wird. Das metallurgische Gefäß kann beispielsweise eine sogenannte Pfanne (englisch: ladle) oder insbesondere ein sogenanntes Zwischengefäß (englisch: tundish) sein.
  • Es sind Gasspülelemente mit sogenannter gerichteter Porosität (englisch: directed porosity) bekannt, bei denen das Gas entlang von Kanälen/Schlitzen geführt wird, sowie Gasspülelemente mit sogenannter ungerichteter Porosität (englisch: random porosity), bei denen das Gas durch ein unregelmäßiges offenes Porenvolumen strömt (ähnlich wie bei einem Schwamm).
  • Die Anordnung solcher Gasspülvorrichtungen (Gasspülelemente, Gasspülsteine) im oder am metallurgischen Gefäß kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen, beispielsweise im Boden oder in der Wand des Gefäßes.
  • Die Erfindung betrifft vor allem eine Gasspülvorrichtung, die im Bodenbereich eines Tundish platziert wird. Der Tundish selbst weist Boden und Wände auf, die innenseitig jeweils eine feuerfeste Auskleidung/Beschichtung (englisch: refractory lining) haben.
  • Aus der US 5,054,749 A ist ein Tundish mit einem sogenannten Dauerfutter (englisch: permanent refractory lining) bekannt. Im Dauerfutter des Bodens ist eine Hohlkammer angeordnet, in die eine Gasleitung einmündet. Die Hohlkammer wird von einer gaspermeablen Platte nach oben zur Schmelze hin begrenzt. Das in die Hohlkammer geleitete Gas wird über die gaspermeable Platte in die Metallschmelze geleitet. Diese Anordnung hat mehrere Nachteile: Es besteht eine große Gefahr einer Metallschmelze-Infiltration durch die Platte in die Hohlkammer; die Platte kann leicht unter dem ferrostatischen Druck der Schmelze brechen.
  • Analog gilt dies für die Gasspülvorrichtung gemäß US 5,219,514 A .
  • Gemäß US 4,243,210 werden im Boden eines Tundish feuerfeste Gaspülelemente unterschiedlicher Gaspermeabilität eingebaut. Die Vorrichtung besteht aus mehreren Teilen, die im Verschleißfall alle gewechselt werden müssen.
  • DE 37 16 920 A1 offenbart eine Gasspülvorrichtung für eine Pfanne mit einem unteren Gasdurchbruchsicherungsblock mit einer Gasleitung, welche vom unteren zum oberen Ende verläuft; das obere Ende der Gasleitung ist mit einem Gewinde versehen, welches mit der Gewindemuffe des Gasspülkegels korrespondiert, wobei Gasspülkegel und Gasdurchbruchsicherungsblock gegeneinander anliegen; der Gasspülstein ist von einem Stahlmantel umgeben, welcher als Gasverteileinrichtung fungiert; der Gasdurchbruchsicherungsblock und der Gasspülstein bestehen aus feuerfestem Werkstoff.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasspülvorrichtung der genannten Art anzubieten, die einen hohen Sicherheitsstandard aufweist und im Verschleißfall leicht gewechselt werden kann.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von folgenden Überlegungen aus:
    In jedem Fall muss ein Behandlungsgas zum Wand- oder Bodenbereich des metallurgischen Gefäßes geführt werden. Dieser Teil kann analog zum Dauerfutter der feuerfesten Auskleidung des metallurgischen Gefäßes von einem Basisteil der Gasspülvorrichtung gebildet werden, der mit Ausnahme der Gasleitung gasdicht sein kann (da er nur der Gaszuführung dient und nicht der Gasverteilung). Dieser Basisteil besteht aus feuerfestem keramischem Material und weist eine hohe Verschleißbeständigkeit auf, so dass er selten oder gar nicht gewechselt werden muss.
  • Demgegenüber wird für die Verteilung des Gases in die Metallschmelze ein Funktionsteil bereitgestellt, das vorzugsweise leicht montiert und leicht erneuert werden kann, weil es ein Verschleißteil ist. Der Verschleiß ergibt sich aufgrund der Gasverteilung im Funktionsteil sowie durch metallurgische Angriffe, insbesondere Korrosion und Abrieb durch die Metallschmelze.
  • Dieser Funktionsteil ist zumindest partiell gasdurchlässig, das heißt, er weist gasdurchlässige Abschnitte auf. Das Gas, das über die Gasleitung im Basisteil einströmt, soll durch die gasdurchlässigen Abschnitte in die Metallschmelze geführt werden.
  • Die Erfindung sieht eine Strömungsverbindung (Gasverbindung) im Übergangsbereich vom Basisteil zum Funktionsteil vor, also eine Art Kupplung, wobei die Verbindung/Kupplung lösbar sein soll.
  • Die Kupplung umfasst mindestens zwei Abschnitte, nämlich einen ersten Abschnitt am gasauslassseitigen Ende der Gasleitung am Basisteil und einen zweiten Abschnitt, der am Funktionsteil angeordnet ist.
  • Auf diese Weise kann der Funktionsteil mit dem Basisteil verbunden werden, indem der Funktionsteil auf den Basisteil aufgesteckt (aufgeschoben, aufgeclipst) wird. Dabei schließen die Abschnitte der Kupplung strömungstechnisch aneinander an, und eine durchgehende Gasströmung von der Gasleitung im Basisteil über die Kupplung bis zu einer oder mehreren Gasaustrittsflächen am Funktionsteil wird möglich.
  • Mit anderen Worten: Die Gasspülvorrichtung ist mindestens zweiteilig. Der Basisteil übernimmt die Aufgabe der Gaszufuhr zum Funktionsteil. Der Basisteil kann im metallurgischen Gefäß bleiben. Der Basisteil kann so platziert werden, dass er nicht in Kontakt mit der Metallschmelze kommt. Auch die Gasleitung im Basisteil, über die das Gas zugeführt wird, kann permanent im metallurgischen Gefäß verbleiben und muss nicht ausgetauscht werden (oder zumindest sehr viel seltener als der Funktionsteil).
  • Der Basisteil kann deshalb im Boden des metallurgischen Gefäßes angeordnet werden, so dass seine Oberfläche mehr oder weniger bündig mit dem feuerfesten Boden des metallurgischen Gefäßes fluchtet. Das Basisteil kann den Boden des Gefäßes aber auch überragen. Der Funktionsteil wird dann auf den Basisteil gesetzt (Ausführungsformen dazu werden nachstehend beschrieben), und zwar so, dass die Kupplungsabschnitte von Basisteil und Funktionsteil eine strömungstechnische Verbindung für das Gas vom Basisteil in den Funktionsteil erlauben.
  • Die Geometrie von Basisteil und Funktionsteil ist vorzugsweise so, dass sich beide Teile der Gasspülvorrichtung formschlüssig ergänzen.
  • Die Positionierung des Funktionsteils am Basisteil erfolgt bereits über die Kupplung. Um ein Lösen des Funktionsteils gegenüber dem Basisteil zu vermeiden ist es zweckmäßig, Funktionsteil und Basisteil zusätzlich mechanisch zu sichern. Wenn sich der Funktionsteil zwischen gegenüberliegenden Wänden des metallurgischen Gefäßes erstreckt kann dies dadurch erfolgen, indem die feuerfesten Wände des metallurgischen Gefäßes die beiden Endabschnitte des Funktionsteils überdecken. Alternativ kann eine Fixierung über zusätzliche (diskrete) feuerfeste Bauteile (zum Beispiel: Keile) erfolgen.
  • Im Gegensatz zu den bekannten Gasspülvorrichtungen gemäß Stand der Technik, die alle statisch sind, kann erfindungsgemäß ein Verschleißteil (der Funktionsteil) regelmäßig erneuert werden, während der Basisteil über einen sehr viel längeren Zyklus benutzt werden kann und deshalb fest im metallurgischen Gefäß eingebaut wird. Dies gilt analog für die im Basisteil verlaufende Gasleitung.
  • In ihrer allgemeinsten Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Gasspülvorrichtung zum Einbau in ein metallurgisches Gefäß, mit folgenden Merkmalen in einer Einbauposition im Boden des metallurgischen Gefäßes:
    • einem unteren, weitgehend gasdichten Basisteil,
    • im Basisteil verläuft eine Gasleitung von einem ersten Ende im Bereich einer ersten Außenfläche des Basisteils zu einem zweiten Ende im Bereich einer zweiten Außenfläche des Basisteils,
    • das zweite Ende der Gasleitung ist als erster Abschnitt einer Kupplung ausgebildet,
    • ein zweiter Abschnitt einer Kupplung befindet sich im Bereich einer äußeren Anschlussfläche eines Funktionsteils, mit der das Funktionsteil gegen das Basisteil anliegt,
    • im Funktionsteil verläuft eine Gasverteileinrichtung vom zweiten Abschnitt der Kupplung durch den Funktionsteil bis zu mindestens einer als Gasaustrittsfläche gestalteten freien Oberfläche des Funktionsteils,
    • Basisteil und Funktionsteil bestehen jeweils aus feuerfestem keramischem Werkstoff (gleicher oder unterschiedlicher Art);
    • und den weiteren Merkmalen nach Anspruch 1.
  • Die Gasleitung kann entweder eine diskrete Rohrleitung sein, die im feuerfesten Werkstoff des Basisteils verläuft; die Gasleitung kann alternativ aber auch in-situ im Feuerfestmaterial des Basisteils ausgebildet sein.
  • Das erste Ende der Gasleitung wird an eine Gaszufuhr angeschlossen, das zweite Ende an die Kupplung. Die Kupplung umfasst mindestens zwei Abschnitte, kann aber auch mehrteilig sein. In jedem Fall ist ein Abschnitt der Kupplung Bestandteil des Basisteils und ein Abschnitt der Kupplung Bestandteil des Funktionsteils.
  • Die Kupplung hat mehrere Funktionen: Sie dient in erster Linie dazu, eine strömungstechnische Verbindung für das Gas vom Basisteil in den Funktionsteil zu schaffen. Sie dient aber auch als Justiervorrichtung beim Verbinden von Funktionsteil und Basisteil. Zu diesem Zweck kann ein Kupplungsteil über das zugehörige Bauteil (Basisteil, Funktionsteil) vorragen (englisch: protrude), während der korrespondierende Kupplungsabschnitt von einer Vertiefung in einer Oberfläche des anderen Bauteils (Funktionsteil, Basisteil) gebildet wird. Dies führt im Ergebnis zu einer Art "Nut-/Feder-Verbindung" (englisch: tongue and groove connection) zwischen Basisteil und Funktionsteil mit einem männlichen Abschnitt (englisch: male part) und einem weiblichen Abschnitt (englisch: female part). Eine formschlüssige Verbindung (englisch: form-fit joint) ermöglicht es, Gasdiffusionen zu vermeiden und das Gas entlang des gewünschten Weges zu führen.
  • Der erste Abschnitt der Kupplung steht beispielsweise über die zweite Außenfläche des Basisteils vor und der zweite Abschnitt der Kupplung wird von einer korrespondierenden Vertiefung in der Anschlussfläche des Funktionsteils gebildet.
  • Dabei kann die zweite Außenfläche des Basisteils eine obere Fläche des Basisteils und die äußere Anschlussfläche des Funktionsteils eine untere Fläche des Funktionsteils sein. In der Funktionsposition der Vorrichtung verlaufen beide Flächen vorzugsweise horizontal. In diesem Fall kann der Funktionsteil von oben auf den Basisteil aufgesetzt (aufgesteckt) werden.
  • Wie bereits vorstehend offenbart ist es vorteilhaft, wenn die zweite Außenfläche des Basisteils und die äußere Anschlussfläche des Funktionsteils sich in der Einbauposition formschlüssig ergänzen.
  • Im einfachsten Fall ergibt sich ein Formschluss bereits dann, wenn die zweite Außenfläche des Basisteils und die äußere Anschlussfläche des Funktionsteils jeweils planar sind (mit Ausnahme der Stellen, an denen die Kupplungsabschnitte verlaufen).
  • Basisteil und Funktionsteil können so gestaltet sein, dass ein vertikaler Querschnitt eine der folgenden Geometrien zeigt: Rechteck, Quadrat, Trapez, Dreieck, Polygon, Teilkreis, U-Form, L-Form. Andere Geometrien von Basisteil und Funktionsteil, die sich formschlüssig ergänzen, sind ebenso möglich.
  • Entsprechend ergeben sich, dreidimensional betrachtet, beispielsweise folgende Geometrien für den Basisteil und/oder den Funktionsteil: Quader, Vier-Kant-Balken, Halbzylinder, L-Profil, U-Profil etc.
  • Wesentlich für die Gasverteilung im metallurgischen Gefäß ist die Gasverteileinrichtung im Funktionsteil. Ziel ist es, das Gas von der Kupplung zu einem oder mehreren Oberflächen (Abschnitten) des Funktionsteils zu leiten, bevor es in die Metallschmelze strömt.
  • Zu diesem Zweck führt zunächst ein Gaskanal von der Kupplung zu einer Gasverteilkammer innerhalb des Funktionsteils. Von dieser Gasverteilkammer verlaufen gasdurchlässige Zonen des Funktionsteils zu den Oberflächenabschnitten des Funktionsteils, über die das Gas aus dem Funktionsteil in die Metallschmelze strömt. Diese Zonen können mit ungerichteter Porosität und/oder gerichteter Porosität ausgebildet sein.
  • Bei einer Anordnung der Gasspülvorrichtung im Boden des metallurgischen Gefäßes (tundish) folgt daraus, dass die gasdurchlässigen Zonen des Funktionsteils insbesondere "oberhalb der Gasverteilkammer" verlaufen, wenngleich auch seitlich neben der Gasverteilkammer angeordnete gasdurchlässige Zonen möglich sind.
  • Umgekehrt ist es zweckmäßig, einen "unteren Bereich des Funktionsteils", gasdicht auszubilden, also insbesondere einen Bereich des Funktionsteils benachbart zum Basisteil und/oder horizontal seitlich neben der Kupplung, damit das Gas gezielt in Richtung der gasdurchlässigen Zonen geführt werden kann. Die gasdurchlässige(n) Zone(n) im Funktionsteil kann/können in-situ oder als diskrete (separate) Einsätze (englisch: inserts) gebildet werden.
  • Es genügt, wenn der Funktionsteil neben der Gasverteilkammer eine Zone hat, die ganz oder teilweise eine ungerichtete und/oder gerichtete offene Porosität aufweist. Es ist auch möglich, mehrere Zonen anzuordnen, die strömungstechnisch verbunden oder unabhängig voneinander sind.
  • Aus Vorstehendem ergibt sich, dass die Gasverteilkammer in ihrer Größe und Bauform angepasst wird, um eine möglichst vorteilhafte Kontaktfläche zu den gasdurchlässigen Zonen des Funktionsteils zu schaffen.
  • Nach einer Ausführungsform verläuft die Gasleitung im Basisteil von einem ersten Ende im Bereich einer vertikalen seitlichen Außenfläche des Basisteils weitestgehend horizontal durch den Basisteil und dann aufsteigend zum ersten Abschnitt der Kupplung. Dabei kann die Gasleitung im Basisteil einen spiralförmig verlaufenden Abschnitt aufweisen, der eine Art Durchbruchsicherung für etwaig eindringende Metallschmelze bildet, die im Bereich des spiralförmigen Abschnitts schneller erstarren kann (einfriert).
  • Die Kupplung kann an jeder beliebigen Stelle des Basisteils beziehungsweise Funktionsteils angeordnet werden. Durch eine außermittige (exzentrische) Anordnung ergibt sich eine zusätzliche Sicherheitsfunktion, um einen fehlerhaften Zusammenbau von Basisteil und Funktionsteil unmöglich zu machen. Der Funktionsteil kann gegenüber dem Basisteil drehbar sein, wobei die Kupplung als Drehgelenk funktioniert.
  • Außerdem ergibt sich die Möglichkeit, die Kupplungsabschnitte zunächst zu verbinden und danach den (beweglichen) Funktionsteil gegenüber dem (fest eingebauten) Basisteil zu verschwenken. Die Drehebene verläuft dabei senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases durch die Kupplung. Dadurch wird die zusätzliche Möglichkeit geschaffen, die Geometrie des Basisteils und des Funktionsteils so anzupassen, dass korrespondierende Vor- und Rücksprünge am Basisteil und Funktionsteil in eine gegenseitige Rastposition gebracht werden, die ein unbeabsichtigtes Lösen des Funktionsteils vom Basisteil erschwert. Dies gilt insbesondere für die bereits oben genannten U- oder L-Formen von Basisteil und Funktionsteil, die auch in der nachfolgenden Figurenbeschreibung erläutert werden.
  • Die Kupplung muss keine absolute Gasdichtigkeit sicherstellen. Dennoch ist eine gasdichte Verbindung, beispielsweise mit Hilfe von Dichtungen, sinnvoll, um das Gas gezielt zu den porösen (gasdurchlässigen) Zonen des Funktionsteils zu führen.
  • Die Kupplungsabschnitte können diskrete Bauteile sein, die am Basisteil und Funktionsteil befestigt werden; die Kupplungsabschnitte können auch in-situ am bzw. im feuerfesten Material des Basisteils und Funktionsteils ausgeformt sein.
  • Für die Auswahl des Feuerfestmaterials ergeben sich keine Einschränkungen. Dieses kann je nach Anwendungsfall ausgewählt 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 - jeweils in schematisierter Darstellung -
    • Figur 1:
    Einen vertikalen Längsschnitt durch ein Basisteil
    Figur 2:
    Einen vertikalen Längsschnitt durch ein Funktionsteil, welches mit dem Basisteil gemäß Figur 1 verbunden werden kann
    Figur 3:
    Eine Gasspülvorrichtung aus Basisteil und Funktionsteil gemäß Figuren 1, 2 beim Zusammenbau in perspektivischer Ansicht
    Figur 4:
    Die Gasspülvorrichtung gemäß Fig. 3 in einer Einbau-/Funktionsposition in einem Tundish
    Figur 5:
    Eine Darstellung gemäß Figur 3 für eine weitere Ausführungsform einer Gasspülvorrichtung.
  • In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern dargestellt.
  • Figur 1 zeigt einen Basisteil 10 aus feuerfestem keramischen Material in Form eines 4-Kant-Balkens (Figur 3) also in Form eines langgestreckten Quaders mit sechs, rechtwinklig zueinander verlaufenden Außenflächen, von den in Figur 1 eine erste Außenfläche 101 (kleine Seitenfläche links) und eine obere (große) Stirnfläche 10o bezeichnet sind.
  • Eine Gasleitung 12 aus Metall verläuft von einem ersten Ende im Bereich der Seitenfläche 101 etwa horizontal in den Basisteil 10 hinein, und weist anschließend einen spiralförmig verlaufenden Abschnitt 12s auf, der in ein unteres Ende 14u eines ersten Kupplungsabschnitts 14 mündet, der als diskretes metallisches Bauteil in einer korrespondierenden Vertiefung im Basisteil 10 befestigt ist. Das obere Ende 14o überragt die obere Stirnfläche 10o des Basisteils 10, wobei der vorstehende Teil 14o der Kupplungsabschnitts 14 zylinderförmig ist und mittig einen Gasauslassstutzen 14s aufweist, der frei nach oben vorsteht.
  • Figur 2 zeigt einen zugehörigen Funktionsteil 20, wiederum in Form eines lang gestreckten Quaders (Figur 3), wobei der Funktionsteil 20 in Längsrichtung (Horizontalrichtung) länger (Länge L) ist als der Basisteil 10 (Länge 1).
  • Der Funktionsteil 20 weist eine untere Anschlussfläche 20u auf, in der mittig (in Längsrichtung L) eine kreisrunde Vertiefung 26v ausgebildet ist, die von einem tassenförmigen Melallteil gebildet wird.
  • Die Vertiefung 26v hat nach oben eine Erweiterung 26e, jedoch mit geringerem Durchmesser. Die Erweiterung 26e besteht aus einer Metallhülse, Vertiefung 26v und Erweiterung 26e bilden einen zweiten Kupplungsabschnitt 26. Sie können alternativ auch in-situ im Feuerfestmaterial des Funktionsteils 20 ausgebildet werden.
  • Erweiterung 26e und Vertiefung 26v sind dimensionsmäßig so ausgelegt, dass der erste Kupplungsabschnitt 14 (oberer Abschnitt 14o, Stutzen 14s) des Basisteils bündig (gasdicht) in den zweiten Kupplungsteil 26 (Vertiefung 26v, Erweiterung 26e) am Funktionsteil 20 passen, wenn der Funktionsteil 20 mit seiner Unterseite 20u auf der Oberseite 10o des Basisteils 10 aufgelegt wird (Fig. 3).
  • Zur Verbesserung der Gasdichtigkeit kann zwischen Stutzen 14s und Innenwand der Erweiterung 20e eine Dichtung, beispielsweise eine feuerfeste Graphitdichtung, eingesetzt werden.
  • Von der Erweiterung 26e erstreckt sich eine Bohrung 22 vertikal nach oben bis zu einer horizontal im Funktionsteil 20 verlaufenden Gasverteilkammer 24.
  • Das Feuerfestmaterial unterhalb der Gasverteilkammer und seitlich neben der Gasverteilkammer 24 ist weitestgehend gasdicht. Die oberhalb der Gasverteilkammer 24 verlaufende Zone 22z des Feuerfestmaterials ist gasdurchlässig und mit ungerichteter (offener) Porosität ausgebildet. Die obere freie Stirnfläche 200 des Funktionsteils ist die Fläche, die in der Funktionsstellung der Vorrichtung gegen eine Metallschmelze anliegt. Über die Fläche 20o wird das Gas in die Schmelze abgegeben.
  • Der Zusammenbau von Basisteil 10 und Funktionsteil 20 erfolgt, wie in Figur 3 dargestellt, indem der Funktionsteil 20 auf den Basisteil aufgesetzt wird. Der Basisteil kann bereits vorher fest im metallurgischen Gefäß verankert worden sein (Fig. 4). Der Funktionsteil 20 wird so auf den Basisteil 10 aufgesetzt, dass die Vertiefung 26v und die Erweiterung 26e (die den zweiten Abschnitt 26 der Kupplung bilden) auf den oberen Abschnitt 14o und den Stutzen 14s (die den ersten Abschnitt 14 der Kupplung bilden) formschlüssig aufgesetzt werden.
  • Durch die Anordnung der Kupplungsabschnitte kann der Funktionsteil 20 anschließend um eine Achse A-A, die mittig und vertikal durch die Kupplungsabschnitte verläuft, durch horizontales Drehen des Funktionsteils 20 in die Funktionsposition gebracht werden, bei der der Funktionsteil 20 fluchtend zum Basisteil 10 ausgerichtet ist (Fig. 4).
  • Der Basisteil 10 wird im Boden B des metallurgischen Gefäßes (Tundish T in Fig. 4) eingebaut und die Gasleitung 12 an eine Gasversorgung angeschlossen. Der Funktionsteils 20 wird danach - wie vorher beschrieben - aufgesetzt.
  • Die Fixierung des Funktionsteils 20 im metallurgischen Gefäß erfolgt, wie in Fig. 4 dargestellt, dadurch, dass eine wandseitige feuerfeste Verkleidung W des metallurgischen Gefäßes (T) so aufgebracht wird, dass sie Endabschnitte 20l, 20r des Funktionsteils 20 überdeckt. Damit wird ein Lösen des Funktionsteils 20 im Betrieb gegenüber dem Basisteil 10 vermieden, sobald Gas über die Gasleitung 12, durch die Kupplung (14, 26) und die Gasverteilkammer 24 sowie die poröse Zone 22z und die Oberfläche 20o in eine zugehörige Metallschmelze abgegeben wird.
  • Die Ausführungsform nach Figur 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Figuren 1 bis 4 nur durch die konkrete geometrische Form von Basisteil und Funktionsteil 20.
  • Basisteil 10 und Funktionsteil 20 sind wieder stabförmig.
  • Am Basisteil 10 ist an einem Endabschnitt (in Längsrichtung des Basisteils) ein L-förmiger Teil weggeschnitten, so dass sich in einer Seitenansicht eine U-Form des Basisteils 10 ergibt, wobei ein U-Schenkel 10k kürzer und schmaler ist als der andere U-Schenkel 10b, mit einem Verbindungsabschnitt 10v dazwischen. Der Endabschnitt endet mit Abstand zur Mitte (M) des Basisteils.
  • Der anderen Endabschnitt (in der Figur rechts) ist analog geformt, jedoch spiegelbildlich zu einer Ebene, die vertikal durch den Basisteil bei B/2 verläuft, wobei B die Breite des Basisteils 10 ist.
  • Zwischen den beiden U-förmigen Endabschnitten ist ein zylindrischer Raum R gebildet, in den ein zylindrischer Zapfen Z hineinragt, der Bestandteil des Funktionsteils 20 und zwischen Endabschnitten des Funktionsteils 20 ausgebildet ist.
  • Die Endabschnitte des Funktionsteils 20 sind jeweils korrespondierend zu den Endabschnitten des Basisteils 10 gestaltet, so dass sich ein Formschluss ergibt, wenn der Funktionsteil 20 zunächst mit seinem Kupplungsteil (nicht dargestellt) auf den Kupplungsteil (nicht dargestellt) des Basisteils 10 aufgesetzt wird und anschließend der Funktionsteil gegen den Uhrzeigersinn (Pfeil) horizontal gedreht wird. Die Kupplungsteile sind wie beim ersten Ausführungsbeispiel gestaltet. Die fertige Montageposition entspricht der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Durch die Hinterschnitte H, die durch den kürzeren Schenkel 10k, den Verbindungssteg 10v und den breiteren Schenkel 10b gebildet werden, wird eine mechanisches Fixierung des Funktionsteils 20 am Basisteil 10 erreicht, wenn die entsprechenden Schenkel des Funktionsteils in die korrespondierenden Hinterschnitte H des Basisteils eingeführt sind.

Claims (15)

  1. Gasspülvorrichtung zum Einbau in ein metallurgisches Gefäß, mit folgenden Merkmalen in ihrer Einbauposition:
    a) einem unteren, gasdichten Basisteil (10),
    b) im Basisteil (10) verläuft eine Gasleitung (12) von einem ersten Ende im Bereich einer ersten Außenfläche (101) des Basisteils (10) zu einem zweiten Ende im Bereich einer zweiten Außenfläche (10o) des Basisteils (10),
    c) das zweite Ende des Gasleitung (12) ist als erster Abschnitt (14) einer Kupplung ausgebildet,
    d) ein zweiter Abschnitt (26) der Kupplung befindet sich im Bereich einer äußeren Anschlussfläche (20u) eines Funktionsteils (20), mit der das Funktionsteil (20) gegen das Basisteil (10) anliegt;
    e) im Funktionsteil (20) verläuft eine Gasverteileinrichtung vom zweiten Abschnitt (26) der Kupplung durch den Funktionsteil (20) bis zu mindestens einer als Gasaustrittsfläche gestalteten freien Oberfläche (20o) des Funktionsteils (20), bei der
    f) ein Gaskanal von der Kupplung zu einer Gasverteilkammer (24) innerhalb des Funktionsteils (20) führt und von dieser Gasverteilkammer (24) gasdurchlässige Zonen des Funktionsteils zu der freien Oberfläche (20o) des Funktionsteils (20) führen, über die das Gas aus dem Funktionsteil (20) in eine Metallschmelze strömt,
    g) Basisteil (10) und Funktionsteil (20) bestehen jeweils aus einem feuerfesten, keramischen Werkstoff.
  2. Gasspülvorrichtung nach Anspruch 1, deren erster und zweiter Abschnitt (14, 26) der Kupplung als korrespondierende Abschnitte formschlüssig ausgeführt sind.
  3. Gasspülvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Abschnitt (14) der Kupplung über die zweite Außenfläche (10ο) des Basisteils (10) vorsteht und der zweite Abschnitt (26) der Kupplung durch eine korrespondierende Vertiefung (26v) in der Anschlussfläche (20u) des Funktionsteils (20) gebildet wird.
  4. Gasspülvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Außenfläche (10o) des Basisteils (10) eine obere Fläche des Basisteils (10) und die äußere Anschlussfläche (20u) des Funktionsteils (20) eine untere Fläche des Funktionsteils (20) ist.
  5. Gasspülvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Außenfläche (10ο) des Basisteils (10) und die äußere Anschlussfläche (20u) des Funktionsteils (20) formschlüssig zueinander verlaufen.
  6. Gasspülvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Außenfläche (10ο) des Basisteils (10) und die äußere Anschlussfläche (20u) des Funktionsteils (20) planare Flächen sind.
  7. Gasspülvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Basisteil (10) und der Funktionsteil (20) in einem vertikalen Querschnitt eine der folgenden Geometrien aufweisen: Rechteck, Quadrat, Trapez, Dreieck, Polygon, Teilkreis, U-Form, L-Form.
  8. Gasspülvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Funktionsteil (20) benachbart der Gasaustrittsfläche (20o) eine Zone (22z) hat, die ganz oder teilweise eine ungerichtete offene Porosität aufweist.
  9. Gasspülvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Funktionsteil (20) benachbart der Gasaustrittsfläche (20o) eine Zone (22z) hat, die ganz oder teilweise eine gerichtete offene Porosität aufweist.
  10. Gasspülvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Gasleitung (12) im Basisteil (10) von einem ersten Ende im Bereich einer vertikalen seitlichen Außenfläche (10r) des Basisteils (10) weitgehend horizontal durch den Basisteil (10) und dann aufsteigend zum ersten Abschnitt (14) der Kupplung verläuft.
  11. Gasspülvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Gasleitung (12) im Basisteil einen spiralförmig verlaufenden Abschnitt aufweist.
  12. Gasspülvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Abschnitte (14, 26) der Kupplung in Richtung einer Längsachse (L) der Vorrichtung mittig angeordnet sind.
  13. Gasspülvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Abschnitte (14, 26) der Kupplung gasdicht miteinander verbindbar sind.
  14. Gasspülvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Abschnitte (14, 26) der Kupplung von diskreten Bauteilen (14o, 14s; 26v, 26e) gebildet werden, die am Basisteil (10) und am Funktionsteil (20) befestigt sind.
  15. Gasspülvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Funktionsteil (20) gegenüber dem Basisteil (10) drehbar ist, wobei die Kupplung die Funktion eines Drehgelenks hat.
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