[0001] Die Erfindung betrifft einen feuerfesten keramischen Stopfen zur Regelung einer vorbeiströmenden
Metallschmelze im Bereich einer Auslassöffnung eines metallurgischen Schmelzgefäßes,
beispielsweise eines Tundish.
[0002] Ein solcher Stopfen ist üblicherweise wie folgt aufgebaut: Er weist einen stabförmigen
Körper mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende auf, wobei der Körper aus mindestens
einem feuerfesten keramischen Werkstoff besteht. Stabförmig ist im technischen Sinne
zu verstehen, das heißt, die Länge des Körpers ist sehr viel größer als sein Durchmesser/seine
Breite. Vom ersten Ende des Körpers erstreckt sich eine sackartige Öffnung in Axialrichtung
des Körpers auf das zweite Ende hin, wobei diese Öffnung bis zu einem Anschlussbereich
mit einem Boden reicht und der Anschlussbereich vor dem zweiten Ende des Körpers endet.
Am ersten Ende des Körpers ist ein so genannter Zuführbereich vorgesehen, weil hier
ein Behandlungsgas, insbesondere ein Inertgas, wie Argon, in die Öffnung des Stopfens
eingeleitet wird.
[0003] Um das Gas, welches die Öffnung durchströmt, aus dem Bereich des zweiten Endes des
Körpers in eine Metallschmelze einzuleiten, verläuft vom Anschlussbereich der Öffnung
mindestens ein Gaskanal bis zu einem Oberflächenabschnitt des Körpers im Bereich seines
zweiten Endes. Dieser Gaskanal hat eine Querschnittsfläche, die kleiner ist als die
Querschnittsfläche der Öffnung.
[0004] Der Stopfen wird unmittelbar im Ausgussbereich des metallurgischen Schmelzgefäßes
angeordnet, und zwar in vertikaler Ausrichtung mit dem ersten Ende oben und dem zweiten
Ende unten, dem Ausguss benachbart. Durch Heben und Senken des Stopfens kann ein Ringkanal
gegenüber dem Ausguss vergrößert oder verkleinert werden, um die Menge der hindurch
geführten/vorbeiströmenden Metallschmelze zu regeln.
[0005] Figur 1 zeigt eine solche bekannte Anordnung, wobei der Stopfen das Bezugszeichen
10 und ein zugehöriger Ausguss das Bezugszeichen 50 trägt. Das dargestellte untere
(zweite) Ende 14 des Stopfens 10 befindet sich in leicht angehobener Stellung, so
dass zwischen Stopfen 10 und Ausguss 50 ein Ringkanal ausgebildet wird, durch den
Schmelze S aus einem nicht dargestellten Tundish in den Ausguss 50 und von dort in
nachgeordnete Einrichtungen fließen kann.
[0006] Das Behandlungsgas, welches über die Öffnung 16 zugeführt und von dort in Pfeilrichtung
G in den Gaskanal 18 geleitet wird, der koaxial zur Mittenlängsachse M des stopfenförmigen
Körpers 10 verläuft, verlässt den Stopfen 10 im Bereich einer Ausgussöffnung 20 am
untersten Teil des zweiten Endes 14 und strömt von dort in die Schmelze S.
[0007] Zum Heben und Senken des Stopfens 10 ist es bekannt, im Bereich der Öffnung 16 ein
Metallgestänge zu befestigen, welches mit seinem aus dem Stopfen 16 nach oben vorstehenden
Abschnitt an einer entsprechenden Hubeinrichtung befestigt ist.
[0008] Soweit im Rahmen dieser Anmeldung von oben und unten gesprochen wird, beziehen sich
diese Angaben auf die Funktionsposition des Stopfens 10.
[0009] Ein Regelventil der dargestellten Art wird seit langem eingesetzt. Es hat sich jedoch
herausgestellt, dass es im Betrieb immer wieder zu Unregelmäßigkeiten im Strömungsverhalten
der Schmelze kommt.
[0010] Dies hängt unter anderem mit dem Transport und der Zuführung des Gases zusammen.
[0011] Aus der
DE 10 2005 029 033 B4 ist ein Verschlussstopfen bekannt, bei dem sich ein Füllkörper über einen Teil der
Öffnung - in Axialrichtung des Körpers betrachtet - erstreckt, wobei durch den Füllkörper
oder zwischen Füllkörper und Körper mindestens ein Gaskanal in Axialrichtung des Füllkörpers
verläuft, parallel zur Mittenlängsachse des Verschlussstopfens oder spiral-, schraubenlinien-
oder mäanderförmig oder gewindeartig, der die Öffnung mit dem Gaskanal strömungstechnisch
verbindet, der das Gas an die Oberfläche des zweiten Endes des Stopfens transportiert.
[0012] Auf diese Weise wird ein Mittel zur Einstellung des Gas-Strömungswiderstandes geschaffen.
[0013] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Stopfen insoweit
zu optimieren, dass auch bei unterschiedlicher Positionierung des Stopfens gegenüber
dem Ausguss ein kontrollierter Schmelzefluss erreicht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe liegt der Erfindung folgende Erkenntnis zugrunde:
[0014] In Figur 2 ist die Durchflussrate (m
3/h) auf der Abszisse gegenüber der Spaltbreite zwischen dem zweiten Ende (der Nase)
eines Stopfens und dem zugehörigen Ausguss auf der Ordinate aufgetragen, und zwar
für eine Einrichtung entsprechend Figur 1.
[0015] Die gestrichelte Linie charakterisiert schematisch die Abhängigkeit bei einem Anwendungsfall,
bei dem kein Gas strömt, während die geschlossene Linie die Abhängigkeit der beiden
Kenngrößen unter Gaszufuhr charakterisiert.
[0016] Während ohne Gas eine nahezu lineare Abhängigkeit zwischen der Öffnungsweite und
der hindurch geführten Schmelzemenge besteht, ist eine auffällige Unstetigkeit im
Fall der Zuleitung eines Behandlungsgases zu erkennen. In diesem Unstetigkeitsbereich
kommt es zu Gießstörungen mit möglichen Fehlern am Endprodukt.
[0017] Während bei geringer Öffnungsweite wiederum eine nahezu lineare Abhängigkeit zur
korrespondierenden Schmelzemenge besteht, kommt es in dem dunkel unterlegten Bereich
zu Unstetigkeiten. An diesen Unstetigkeitsbereich schließt sich wiederum ein nahezu
linearer Verlauf an. Die links der Unstetigkeitsstelle dargestellte Strömung wird
als Propfenströmung (slug flow) und die rechts der Unstetigkeitsstelle dargestellte
Strömung als Blasenströmung (bubbly flow) bezeichnet.
[0018] Es ist offensichtlich, dass eine Stranggießanlage nur dann optimal betrieben werden
kann, wenn man außerhalb des in Figur 2 dargestellten Unstetigkeitsbereiches liegt.
Nur dann kann durch Veränderung der Spaltweite eine gezielte Veränderung der Schmelzeflusses
hinsichtlich Menge und Strömungsverlauf erreicht werden.
[0019] An dieser Stelle greift der Erfindungsgedanke ein.
[0020] Ein erfindungsgemäßer feuerfester keramischer Stopfen zur Regelung einer vorbeiströmenden
Metallschmelze weist folgende Merkmale auf:
- einen stabförmigen Körper mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende,
- vom ersten Ende des Körpers erstreckt sich eine sackartige Öffnung von einem Zuführbereich
in Axialrichtung des Körpers bis zu einem Anschlussbereich mit einem Boden,
- vom Anschlussbereich der Öffnung verläuft mindestens ein Gaskanal bis zu einem Oberflächenabschnitt
des Körpers im Bereich eines zweiten Endes,
- der Gaskanal hat eine Querschnittsfläche, die kleiner ist als die Querschnittsfläche
der Öffnung,
- entlang der Öffnung ist mindestens ein Abschnitt vorgesehen, durch den ein vom Zuführbereich
zum Anschlussbereich gefördertes Gas zwangsweise hindurchgeführt wird, wobei der Abschnitt
einen wirksamen Strömungsquerschnitt aufweist, der kleiner ist als der der Öffnung,
- im Bereich der Öffnung zwischen dem Boden und dem dem Boden benachbarten Abschnitt
ist eine Einrichtung zur Messung des Gasdrucks in diesem Bereich angeordnet oder angeschlossen.
[0021] Der genannte Abschnitt hat eine so genannte Restrictor-Funktion, wie sie grundsätzlich
aus der bereits erwähnten
DE 10 2005 029 033 B4 bekannt ist. Während oberhalb dieses Abschnitts ein relativ geringer Gasdruck herrscht,
führt der verminderte Strömungsquerschnitt für das Gas im Bereich des Abschnittes
zu einer deutlichen Erhöhung des Gasdrucks und der Gasgeschwindigkeit, die sich im
Anschluss daran bei vergrößertem Strömungsquerschnitt wieder verringern.
[0022] Durch die vorbeiströmende Metallschmelze entstehen je nach Öffnungsweite zwischen
Stopfen und Ausguss unterschiedliche Druckverhältnisse in der Schmelze, wodurch ein
unterschiedlicher Unterdruck auf das zugeführte Gas einwirkt.
[0023] Mit der Einrichtung zur Messung des Gasdrucks im Anschlussbereich der Öffnung kann
mit einem erfindungsgemäßen Stopfen der exakte Druck des Gases, welches den Stopfen
verlässt, zu jeder Zeit festgestellt werden. Entsprechend kann in Kenntnis dieser
Druck-Messgröße die Spaltweite zwischen Stopfen und Ausguss so geregelt werden, dass
der Gießvorgang außerhalb des Unstetigkeitsbereiches, wie in Figur 2 dargestellt,
erfolgt.
[0024] Dies soll an einem Beispiel erläutert werden: Beim Gießen wird regelmäßig eine Blasenströmung
angestrebt. Dazu werden Stopfen und Ausguss in Abhängigkeit von der Menge und dem
Druck des zugeführten Gases in entsprechender Weise zueinander angeordnet. Muss zum
Beispiel betriebsbedingt die Gießleistung reduziert werden oder reduziert sie sich
durch metallurgische Einflüsse wie Ansatzbildung in einem Tauchrohr, welches dem Ausguss
strömungstechnisch folgt, besteht die Gefahr, dass man in den Unstetigkeitsbereich
gelangt und trotz Verringerung der Spaltbreite zwischen Stopfen und Ausguss die Gießmenge
erhöht wird. Dieser Fall wird durch Druckschwankungen im Anschlussbereich des Stopfens
angezeigt, weil zuviel Gas in den reduzierten Schmelzefluss gelangt. Dieses Phänomen
wird nun zur Früherkennung des veränderten Strömungsbildes herangezogen. Durch Reduzierung
des Gasdrucks im Anschlussbereich senkt sich der Stopfen etwas in Richtung auf den
Ausguss, die Spaltbreite verringert sich und der Schmelzestrom sinkt, wie gewünscht.
[0025] Die Einrichtung zur Messung des Gasdrucks kann direkt in dem genannten Bereich der
Öffnung angeordnet werden, beispielsweise in Form eines Manometers, insbesondere eines
elektronischen Druckmessgerätes, welches den dort herrschenden Temperaturen (ca. 1.500
bis 1.600° C) standhält. Die Übertragung der Druck-Messwerte an eine Auswerteeinheit
kann über temperaturbeständige Kabel oder drahtlos, zum Beispiel per Funk erfolgen.
[0026] Aufgrund dieser hohen Temperaturen und des nur geringen Raumes, der im Öffnungsbereich
zur Anordnung des Messgerätes zur Verfügung steht, sieht eine alternative Ausführungsform
der Erfindung vor, im Bereich der Öffnung zwischen dem Boden und dem dem Boden benachbarten
Abschnitt einen Messkanal anzuordnen, der den Anschlussbereich der Öffnung mit einem
Druckmessgerät verbindet. Auf diese Weise kann das eigentliche Druckmessgerät auch
außerhalb des Stopfens angeordnet werden, insbesondere in einem Bereich, bei dem geringere
Umgebungstemperaturen herrschen, also beispielsweise im Bereich der genannten Hubeinrichtung
zum Heben und Senken des Stopfens. Im Messkanal herrscht der gleiche Gasdruck wie
im Anschlussbereich der Öffnung, so dass dieser exakt gemessen werden kann.
[0027] Dabei kann der Messkanal vom Anschlussbereich der Öffnung zumindest abschnittweise
durch den Körper in Richtung auf dessen erstes Ende führen. Der Messkanal wird dann
beispielsweise oberhalb des Schmelzbades aus dem Körper herausgeführt und über eine
Anschlussleitung zum Druckmessgerät geführt.
[0028] Der genannte Restrictor-Abschnitt lässt sich auf unterschiedliche Art und Weise ausbilden.
Eine Möglichkeit ist, den Abschnitt in der Öffnung selbst anzuordnen. Dazu kann der
Abschnitt von einem in der Öffnung stationär angeordneten Füllkörper gebildet werden,
wobei mindestens ein Gasdurchlass zwischen dem Füllkörper und einer korrespondierenden
Wand der Öffnung frei bleibt.
[0029] Nach einer alternativen Ausführungsform wird der Abschnitt von einem in der Öffnung
stationär angeordneten Füllkörper gebildet, der sich über den gesamten Querschnitt
der Öffnung erstreckt, wobei mindestens ein Gasdurchlass durch den Füllkörper verläuft,
der ein hindurchströmendes Gas in Richtung auf den Anschlussbereich der Öffnung leitet.
[0030] Eine weitere Möglichkeit, den Abschnitt auszubilden, besteht in einem Füllkörper,
der sich über den gesamten Querschnitt der Öffnung erstreckt und die Öffnung in Axialrichtung
in zwei Bereiche teilt, sowie mit einem Kanal, der den einen Bereich der Öffnung mit
dem anderen Bereich der Öffnung verbindet und einen Querschnitt aufweist, der kleiner
ist als der Querschnitt jedes Bereiches der Öffnung. Der Kanal verläuft beispielsweise
durch den Stopfenkörper mit Eingangs- und Ausgangsöffnung in der Wand der Öffnung.
[0031] Diese Gasdurchlässe weisen jeweils einen Querschnitt auf, der kleiner ist als der
Querschnitt der Öffnung. Beispielsweise beträgt das Verhältnis mindestens 1 : 5 oder
mindestens 1 : 10, es kann aber auch darüber liegen. Absolut beträgt der Öffnungsdurchmesser
zum Beispiel 15 bis 30mm und der der Gaskanäle mit verringertem Querschnitt zwischen
2 und 7mm.
[0032] Für den mindestens einen Gaskanal, der zum Oberflächenabschnitt im Bereich des zweiten
Endes des Körpers führt, gilt, dass dies ein einzelner, diskreter Gaskanal sein kann,
der beispielsweise koaxial zur Mittenlängsachse des Stopfens verläuft. Es können aber
auch mehrere, nebeneinander angeordnete Gaskanäle mit entsprechend kleinem Strömungsquerschnitt
angeordnet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den so genannten Nasenabschnitt
(das zweite Ende) des Stopfens zumindest teilweise mit einer ungerichteten Porosität
auszubilden, das heißt, dass das Gas nicht linear von der Öffnung zur Stopfenoberfläche
strömt, wie in einem Kanal, sondern zickzackartig entsprechend der offenen Porosität
in diesem Endabschnitt des Stopfens.
[0033] Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche
sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.
[0034] Die Erfindung wird nachstehend anhand von drei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei sind jeweils in schematisierter Darstellung Längsschnitte durch Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Stopfens dargestellt. Gleiche oder gleich wirkende Bauteile
werden durch gleiche Bezugsziffern erläutert.
[0035] Der Stopfen gemäß Figur 3 besteht aus einem feuerfesten keramischen Körper 10. In
Axialrichtung des Stopfens verläuft eine Öffnung 16 von einem ersten Ende 12 bis zu
einem zweiten Ende 14 und damit von einem Zuführbereich 22 für ein Behandlungsgas
bis zu einem Anschlussbereich 24 mit einem Boden 26.
[0036] Vom Anschlussbereich 24 der Öffnung 16 verläuft ein Gaskanal 18 bis zum Oberflächenabschnitt
20 des Körpers 10 im Bereich des zweiten Endes 14. Der Gaskanal 18 hat eine Querschnittsfläche,
die etwa 1/10 der Querschnittsfläche der Öffnung 16 beträgt.
[0037] Entlang der Öffnung 16 ist ein Füllkörper 30 vorgesehen, der einen Abschnitt bildet,
durch den die Öffnung 16 in einen oberen Bereich 32 und einen unteren Bereich 34 unterteilt
wird. Der Füllkörper 30 erstreckt sich über die gesamte Querschnittsfläche der Öffnung
16 und weist eine mittige Durchgangsöffnung 36 auf, die die Abschnitte 32, 34 miteinander
verbindet. Der Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung 36 ist deutlich kleiner
als der Querschnitt der Öffnung 16. Der Abschnitt 30 bildet eine Art Restrictor.
[0038] Der Stopfen ist mit einer Einrichtung 40 ausgebildet, die eine Gasleitung 42 und
ein Manometer 44 umfasst. Die Gasleitung 42 erstreckt sich von einer Wand 38 des Bereiches
34, verläuft dann in Richtung auf das erste Ende 12 durch den Körper 10, um dann den
Körper 10 nach außen zu verlassen und sich in einer Gasleitung fortzusetzen, die bis
zum Manometer 44 führt.
[0039] Mit dem Manometer 44 lässt sich der Gasdruck im Bereich 34 des Stopfens, also in
dem Bereich unterhalb des Füllkörpers 30, kontinuierlich messen. Je nachdem, ob der
im jeweiligen Anwendungsfall gemessene Gasdruck zu hoch oder zu niedrig ist, kann
über ein entsprechendes Rechenprogramm ein Signal erzeugt werden, um den Stopfen gegenüber
dem Ausguss anzuheben oder abzusenken und die Strömungsmenge der Schmelze zu regulieren.
[0040] Das Ausführungsbeispiel nach Figur 4 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach
Figur 3 dadurch, dass der Abschnitt (Füllkörper) 30 den Abschnitt 32 strömungstechnisch
vollständig vom Abschnitt 34 trennt. Das Gas strömt in diesem Fall vom Bereich 32
über einen Bypass 36' innerhalb des Körpers 10 in den Bereich 34, wobei der Strömungsquerschnitt
des Bypasses 36' etwa dem des Gasdurchlasses 36 beim Ausführungsbeispiel nach Figur
3 entspricht.
[0041] Im Bereich 34, also zwischen dem Boden 26 und dem Abschnitt 30 ist ein Membranmanometer
44' angeordnet, welches Bestandteil der Einrichtung zur Messung des Gasdrucks im Bereich
34 ist. Das Membranmanometer 44' umfasst eine hochtemperaturbeständige, gasdurchlässige
Metallmembran, die sich je nach Gasdruck unterschiedlich aufwölbt. Die dabei vollzogene
Wegveränderung wird über eine Messleitung 42' in einer Auswerteeinheit 46 erfasst
und in entsprechende Gas-Druckwerte umgerechnet. Wie beschrieben gibt der jeweilige
Wert dem Stahlwerker einen Hinweis, die Strömungsmenge der Stahlschmelze zu drosseln
oder zu erhöhen, um nicht in die kritische Zone (Figur 2) zu kommen.
[0042] Die Ausführungsform nach Figur 5 entspricht grundsätzlich der gemäß
DE 10 2005 029 033 B4 mit der Maßgabe, dass in dem, hier sehr kleinen Bereich 34 zwischen Abschnitt (Füllkörper)
30 und Boden 26 ein elektronisches Druckmessgerät 44" angeordnet ist, von dem eine
Messleitung 42" zu einer Auswerteeinheit 46 führt, wobei sich die Messleitung 42 teilweise
durch den Körper 10 des Stopfens erstreckt.
[0043] Anstelle der Übertragung der Messwerte per Kabel kann auch eine drahtlose Übermittlung
zum Beispiel per Funk vorgesehen werden.
[0044] Es ist selbstverständlich, dass das Manometer 44 beziehungsweise die Auswerteeinheiten
46 in einem Bereich angeordnet werden, bei dem möglichst geringe Temperaturen herrschen,
also außerhalb des Schmelzbades.
1. Feuerfester keramischer Stopfen zur Regelung einer
vorbeiströmenden Metallschmelze, mit folgenden Merkmalen:
1.1 einem stabförmigen Körper (10) mit einem ersten Ende (12) und einem zweiten Ende
(14),
1.2 vom ersten Ende (12) des Körpers (10) erstreckt sich eine sackartige Öffnung (16)
von einem Zuführbereich (22) in Axialrichtung des Körpers (10) bis zu einem Anschlussbereich
(24) mit einem Boden (26),
1.3 vom Anschlussbereich (24) der Öffnung (16) verläuft mindestens ein Gaskanal (18)
bis zu einem Oberflächenabschnitt (20) des Körpers (10) im Bereich seines zweiten
Endes (14),
1.4 der Gaskanal (18) hat eine Querschnittsfläche, die kleiner ist als die Querschnittsfläche
der Öffnung (16),
1.5 entlang der Öffnung (16) ist mindestens ein Abschnitt (30) vorgesehen, durch den
ein vom Zuführbereich (22) zum Anschlussbereich (24) gefördertes Gas zwangsweise hindurchgeführt
wird, wobei der Abschnitt (30) einen wirksamen Strömungsquerschnitt aufweist, der
kleiner ist als der der Öffnung (16),
1.6 im Bereich der Öffnung (16) zwischen dem Boden (26) und dem dem Boden (26) benachbarten
Abschnitt (30) ist eine Einrichtung (40) zur Messung des Gasdrucks in diesem Bereich
(34) angeordnet oder angeschlossen.
2. Stopfen nach Anspruch 1, mit einem koaxial zur Öffnung (16) verlaufenden Gaskanal
(18).
3. Stopfen nach Anspruch 1, dessen Abschnitt (30) in der Öffnung (16) liegt.
4. Stopfen nach Anspruch 1, dessen Abschnitt (30) von einem in der Öffnung (16) stationär
angeordneten Füllkörper gebildet wird, wobei mindestens ein Gasdurchlass zwischen
dem Füllkörper und einer korrespondierenden Wand (38) der Öffnung (16) frei bleibt.
5. Stopfen nach Anspruch 1, dessen Abschnitt (30) von einem in der Öffnung (16) stationär
angeordneten Füllkörper gebildet wird, der sich über den gesamten Querschnitt der
Öffnung (16) erstreckt, wobei mindestens ein Gasdurchlass (36) durch den Füllkörper
verläuft, der ein hindurchströmendes Gas in Richtung auf den Anschlussbereich (24)
der Öffnung (16) leitet.
6. Stopfen nach Anspruch 1, mit einem Füllkörper (30), der sich über den gesamten Querschnitt
der Öffnung (16) erstreckt und die Öffnung (16) in Axialrichtung in zwei Bereiche
(32, 34) teilt, sowie mit einem Kanal (36'), der den einen Bereich (32) der Öffnung
(16) mit dem anderen Bereich (34) der Öffnung (16) verbindet und einen Querschnitt
aufweist, der kleiner ist als der Querschnitt jedes Bereiches (32, 34) der Öffnung
(16).
7. Stopfen nach Anspruch 1, dessen Einrichtung (40) zur Messung des Gasdrucks ein Manometer
(44) umfasst.
8. Stopfen nach Anspruch 1, dessen Einrichtung (40) zur Messung des Gasdrucks einen Messkanal
(42) umfasst, der den Anschlussbereich (34) der Öffnung (16) mit einem Druckmessgerät
(44) verbindet.
9. Stopfen nach Anspruch 8, dessen Messkanal (42) vom Anschlussbereich (34) zumindest
abschnittweise durch den Körper (10) in Richtung auf dessen erstes Ende (12) führt.
10. Stopfen nach Anspruch 1, dessen Einrichtung (40) zur Messung des Gasdrucks ein im
Anschlussbereich (34) angeordnetes Druckmessgerät (44', 44") umfasst.
11. Stopfen nach Anspruch 1, dessen Einrichtung (40) zur Messung des Gasdrucks ein Membranmanometer
(44') aufweist.
12. Stopfen nach Anspruch 1, dessen Einrichtung (40) zur Messung des Gasdrucks ein elektronisches
Druckmessgerät (44") aufweist.