Die Erfindung betrifft einen feuerfesten keramischen Pralltopf.
Ein gattungsgemäßer Pralltopf ist beispielsweise aus folgenden Druckschriften bekannt:
In allen Fällen geht es darum, Turbulenzen in einem metallurgischen Gefäß zu reduzieren, die sich ergeben, wenn eine Metallschmelze auf eine feste Unterlage trifft. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Metallschmelze aus einer Pfanne (ladle) mit einer ferrostatischen Höhe von mehreren Metern auf den Boden eines Verteilers (tundish) trifft.
Der Pralltopf gemäß
Bei der Variante gemäß
Der Vorschlag gemäß
Der Pralltopf gemäß
Üblicherweise haben Pralltöpfe eine kreisförmige oder rechteckige Grundfläche. Entsprechend ist die Wand endlos beziehungsweise sie besteht aus vier Wandabschnitten. Die Grundfläche (der Grundriss) kann auch anders sein, beispielsweise oval oder eiförmig. Erfindungsgemäß wird insbesondere von Pralltöpfen ausgegangen, die bezüglich einer vertikalen Ebene spiegelbildlich (spiegelsymmetrisch) ausgebildet sind.
Nachstehende Angaben beziehen sich jeweils auf eine übliche Funktionsstellung des Pralltopfes (Funktionsposition), bei der der Boden des Pralltopfes auf oder in einem Boden eines metallurgischen Gefäßes liegt und sich die Wand des Pralltopfes im Wesentlichen senkrecht vom Boden und damit im Wesentlichen senkrecht vom Boden des metallurgischen Gefäßes nach oben erstreckt.
Der Pralltopf gemäß
Der Aufsatz "
Diese Charakterisierungen werden phänomenologisch nachstehend auf die Strömung einer Metallschmelze in einem Tundish übertragen, in dem ein erfindungsgemäßer Pralltopf (impact pad, impact pot) integriert ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Pralltopf bereitzustellen, der folgende Optimierungen erlaubt:
Um einen Pralltopf zu schaffen, der möglichst viele dieser Anforderungen erfüllt, wurden umfangreiche Versuche und Untersuchungen durchgeführt, insbesondere in Hinblick auf ein verbessertes Strömungsverhalten der Metallschmelze. Dabei wurde untersucht:
Es wurde festgestellt, dass die bekannten Pralltopf-Geometrien insbesondere hinsichtlich des Strömungsverhaltens der Schmelze beim Verlassen des Pralltopfes und beim folgenden Eintritt in das Schmelzbad des zugehörigen metallurgischen Gefäßes verbesserungswürdig sind.
Es ist vorteilhaft, wenn ein Teil der Schmelze in einem Volumenstrom relativ großer Querschnittsfläche seitlich aus dem Pralltopf abgeführt wird. Die Strömungsrichtung ist dabei im Wesentlichen horizontal oder in einem Winkel < 70°, insbesondere < 45° zur Horizontalen. Es hat sich weiters als günstig herausgestellt, den Pralltopf so zu gestalten, dass der seitlich austretende Volumenstrom sich nach oben (zum freien oberen Endabschnitt des Pralltopfes hin) verbreitert.
Im Ergebnis führte dies zu einer Pralltopfgeometrie, bei der die Pralltopfwand mindestens eine Öffnung (zum Beispiel einem Schlitz) mit einem spezifischen Querschnittsprofil aufweist. Vom Boden des Pralltopfes nach oben bis zum freien Endabschnittder Wand betrachtet vergrößert sich die Breite der Öffnung (in Umfangsrichtung des Pralltopfes), das heißt, bei einer schlitzförmigen Öffnung vergrößert sich der Abstand der Flanken, die den Schlitz seitlich begrenzen.
Auf diese Weise wird ein relativ breiter Volumenstrom mit relativ geringer Strömungsgeschwindigkeit im oberen Abschnitt des Pralltopfes seitlich aus dem Pralltopf herausgeführt. Analog ist der Volumenstrom, der in der Nähe des Pralltopfbodens seitlich austritt, schmaler und weist eine größere Strömungsgeschwindigkeit auf. Durch dieses Strömungsprofil werden Turbulenzen beim Eintritt in die Metallschmelze im metallurgischen Gefäß reduziert.
Dies führt zu einer geringeren Erosion des Feuerfestmaterials des Pralltopfes, insbesondere im Bereich der Flanken (Begrenzungen) der Öffnung. Entsprechend gelangen weniger Verunreinigungen (Fremdstoffe) in die Metallschmelze im Tundish.
Ein weiterer Teil des Volumenstroms verlässt den Pralltopf - wie bekannt - nach oben.
Die spezifische Geometrie der Öffnung und die dadurch verursachte spezifische Strömung der Schmelze seitlich durch die Öffnung in der Pralltopfwand führt auch zu der gewünschten Reduktion des Totvolumens im Tundish und zu einem höheren Anteil an Pfropfenströmung, wie nachstehende Tabelle zeigt:
Die Ausbildung von Öffnungen mit relativ großem Querschnitt im Wandbereich des Pralltopfes führt dazu, dass weniger Feuerfestmaterial verwendet werden muss. Dies reduziert die Herstellungskosten.
In ihrer allgemeinsten Ausführungsform betrifft die Erfindung einen feuerfesten keramischen Pralltopf mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
In der Seitenansicht ergibt sich für die Öffnung regelmäßig eine Geometrie, bei der der Abstand zwischen Flanken der Öffnung oben deutlich größer als unten ist. Mögliche Querschnittsprofile sind in der nachfolgenden Figurenbeschreibung dargestellt und erläutert.
Die Öffnung kann nach oben durchlaufen, so dass das freie Ende der Wand unterbrochen wird. Die Öffnung kann aber auch als diskrete Öffnung in der Wand verlaufen und allseitig von Wandabschnitten umgeben sein. Im Interesse einer optimierten Strömung und Strömungsverteilung sind Querschnittsprofile bevorzugt, die spiegelsymmetrisch zu einer Ebene ausgebildet sind, die senkrecht von der Innenseite der Wand absteht, anders ausgedrückt: die Symmetrieebene verläuft radial bei einem Pralltopf mit kreisförmigem Grundriss (Boden), dessen Wand eine zylindrische Umfangsfläche aufweist.
Der Strömungsverlauf wird optimiert, wenn die Öffnung gewölbte Flanken aufweist, insbesondere zwischen den Abschnitten größter Breite und kleinster Breite. In der Seitenansicht ergibt sich dabei ein Profil der Öffnung ähnlich einem Trichter oder einer Düse.
Weitere Ausführungsformen sehen vor, dass die Öffnung im Bereich zwischen größter Breite und kleinster Breite in Bezug auf eine Mittenlängsachse der Öffnung konvex oder konkav gewölbte Flanken aufweist. Dies bedeutet, dass sich die Breite der Öffnung stetig zwischen den Abschnitten größter Breite und kleinster Breite verringert.
Die Öffnung endet nach einer Ausführungsform im Abstand zum Boden. Daraus folgt, dass innerhalb des Pralltopfes ein Bodensumpf ausgebildet wird, in dem sich regelmäßig Metallschmelze beim Gießvorgang befindet.
Die Öffnung erstreckt sich über mehr als 50 % der Höhe der Wand.
Der Strömungsverlauf wird optimiert, wenn sich die Öffnung über einen größeren Teil der Höhe der Wand erstreckt, beispielsweise mehr als 60 % oder mehr als 70 %. Der Bereich der Pralltopfwand ohne seitliche Öffnung kann mindestens 20 % der Höhe der Wand entsprechen, vom Boden aus gerechnet. Dies entspricht einer maximalen Erstreckung der Öffnung über 80 % der Höhe der Wand, von deren oberem Ende aus gerechnet.
Um die Schmelze vom Inneren des Pralltopfes zur Öffnung gezielt hinzuführen, sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, die Innenseite der Wand, zwischen der Prallfläche des Bodens und der Öffnung, mit einer Neigung < 90 ° zur Horizontalen auszubilden. Es entsteht eine Art "Auflaufschräge", entlang der die Schmelze, nachdem sie auf die Prallfläche getroffen ist, nicht nur seitlich, sondern seitlich nach oben hin weggeführt wird, und zwar gezielt zur korrespondierenden Öffnung. Auch diese Ausführungsform ist in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher dargestellt.
Die letztgenannte Ausführungsform setzt voraus, dass die Öffnung mit Abstand vom Boden des Pralltopfes endet.
Die Öffnung kann aber auch vom freien Ende durchgehend bis zum Boden verlaufen. Dies entspricht prinzipiell der Ausführungsform gemäß
Die größte Breite der Öffnung beträgt erfindungsgemäß mehr als 5 % des Gesamtumfangs der Wand des Pralltopfes. Für einen Pralltopf mit quadratischer Grundfläche und entsprechend vier gleichen Wandabschnitten bedeutet dies, dass die größte Breite der Öffnung mehr als 20 % der Breite des entsprechenden Wandabschnitts beträgt. Dieser Wert gilt erfindungsgemäß auch für Pralltöpfe mit rechteckigem Grundriss, und zwar mit der Maßgabe, dass sich der Wert der Öffnungsbreite jeweils auf den Wandabschnitt bezieht, in dem die Öffnung liegt.
Bei Pralltöpfen mit kreisförmigem Boden und entsprechend zylindrischer Wandfläche gilt: die größte Breite der Öffnung beträgt mehr als 5 % des Gesamtumfangs der Wand des Pralltopfes. Teilt man die Wand in vier gleiche Abschnitte, beträgt der Wert für die größte Breite der Öffnung, bezogen auf jeden Abschnitt, wiederum mehr als 20 %.
Dies gilt analog für Ausführungsformen von Pralltöpfen mit einem ovalen Grundriss.
Für andere geometrische Formen gilt neben der Bedingung, dass die größte Breite der Öffnung mehr als 5 % des Gesamtumfangs der Wand betragen soll, folgende Zusatzbedingung: die größte Breite der Öffnung muss mehr als 20 % eines Viertels des Gesamtumfangs der Wand sein. Die größte Breite ist sinnvoll auf 25 % des Gesamtumfangs der Pralltopfwand begrenzt.
Die kleinste Breite der Öffnung (an dem Ende der Öffnung/des Schlitzes, das dem Pralltopfboden benachbart ist) beträgt beispielsweise < 4 %, < 2,5 %, < 1,5 %, < 1.0 % des Gesamtumfangs der Wand und kann auch, zum Beispiel bei einer V-Form des Schlitzes, gegen Null gehen. Der Höchstwert beträgt sinnvoll maximal 5 %.
Konkrete Werte sind beispielhaft:
Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind korrespondierende Flanken der Öffnung zwischen einer Innenseite der Wand und einer korrespondierenden Außenseite der Wand mit größer werdendem Abstand angeordnet. Es entsteht dadurch eine Art "Diffuser" mit der Folge, dass sich die Querschnittsfläche der Öffnung zwischen Innenseite und Außenseite der Wand des Pralltopfes vergrößert (fächerförmig aufweitet). Auf diese Weise wird ein ballonartiger Volumenstrom in das Metallbad des metallurgischen Gefäßes zugeführt, was zu einer Verringerung der Turbulenz im metallurgischen Gefäß führt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel können die Flanken zur äußeren Umgebung hin gewölbt sein, wodurch der Effekt unterstützt wird.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen. Dabei können die genannten Merkmale einzeln oder in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. Soweit nicht ausdrücklich ausgeschlossen lassen sich Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele, soweit technisch grundsätzlich möglich, miteinander kombinieren.
Die Figuren zeigen, jeweils in schematisierter Darstellung:
Der Pralltopf gemäß
Die Wand 20 mit ihrer Innenseite 20i und die Prallfläche 10p begrenzen einen Raum 30, der nach oben hin, also dem Boden gegenüberliegend, offen ist.
Das freie Ende 20k der Wandabschnitte 20a bis 20d ist nach innen gezogen, so dass sich ein entsprechender Hinterschnitt 20h zwischen den vertikalen Bereichen der Wandabschnitte 20a bis 20d und dem freien Ende 20k (Endabschnitt) ergibt.
Im Wandabschnitt 20a ist eine Öffnung 40 ausgebildet, die sich vom freien Ende 20k bis über die Hälfte der Höhe H des Wandabschnitts 20a erstreckt. Die vertikale Höhe h der Öffnung 40 entspricht etwa 0,6 H. Die Öffnung besitzt ihre größte Breite Bg an ihrem oberen Ende und ihre geringste Breite Bk am unteren Ende. Dazwischen sind die Flanken 40f der Öffnung 40 in Bezug auf eine Mittenlängsachse M-M der Öffnung 40 spiegelbildlich gegeneinander gewölbt, so dass sich eine kontinuierlich verringernde Querschnittsgeometrie vom oberen Ende zum unteren Ende der Öffnung ergibt. Die Flanken 40f verlaufen 90° zur Innenseite 20i der Wand 20.
Die größte Breite Bg der Öffnung 40 beträgt etwa 35 % der mittleren Länge L des zugehörigen Wandabschnitts 20a und entsprechend ca. 9 % des Gesamtumfangs der Wand 20. Die in den Pralltopf einströmende Metallschmelze (schematisch durch den Pfeil S gekennzeichnet) trifft zunächst auf die Prallfläche 10p und verteilt sich dann entlang der Prallfläche 10p, bevor sie entlang der Innenseite 20i der Wand 20 nach oben verläuft. Während die Schmelze im Bereich der Wandabschnitte 20b, 20c und 20d anschließend im Bereich des mit Hinterschnitt ausgebildeten freien Endes 20k umgelenkt und aus dem Pralltopf nach oben herausgeführt wird (gleiches gilt für die Schmelze, die entlang der Wand 20a neben der Öffnung 40 entlang strömt), verlässt ein erheblicher Volumenanteil der Schmelze den Raum 30 durch die Öffnung 40. Die Strömungsgeschwindigkeit reduziert sich analog mit zunehmender Breite der Öffnung 40. Die Strömungsrichtung ist am schmalen Ende der Öffnung 40 weitestgehend horizontal, am oberen, breiten Ende schräg nach oben gerichtet. Auf diese Weise entsteht eine vorteilhafte Zuführung der Schmelze aus dem Pralltopf in das zugehörige metallurgische Gefäß beziehungsweise in die dort befindliche Schmelze.
Das Ausführungsbeispiel gemäß
Beim Ausführungsbeispiel gemäß
Für alle Ausführungsvarianten gilt:
Der Pralltopf besteht aus einem feuerfesten keramischen Werkstoff, beispielsweise auf Basis Magnesia, Magnesiachromit, Bauxit, A12O3 oder Mischungen daraus.
Günstig sind Pralltöpfe, bei denen der obere freie Endabschnitt der Wand (Wandteile) nach innen verbreitert ist, so dass die nach oben aus dem Pralltopf heraustretende Schmelze zuvor nach innen umgeleitet wird.
Die Grundfläche des Pralltopfes ist faktisch beliebig. Pralltöpfe mit kreisförmigem Boden und zylinderförmiger Wand sowie Pralltöpfe mit rechteckigem, insbesondere quadratischem Boden und entsprechend vier, im rechten Winkel zueinander verlaufenden Wandabschnitten sind jedoch in Hinblick auf Herstellung und Strömungsverhalten eindeutig bevorzugt.
In jedem Pralltopf ist mindestens eine Öffnung der beschriebenen Art wandseitig ausgebildet. Insbesondere bei Pralltöpfen mit rechteckigem Querschnitt können in gegenüberliegenden Wandabschnitten analoge Öffnungen ausgebildet sein.
Jede Öffnung ist in ihrem dem Boden benachbarten Abschnitt deutlich schmaler als an ihrem Abschnitt, welcher dem oberen Rand (der oberen Kante) der Pralltopfwand benachbart ist. Dadurch ergibt sich regelmäßig in der Seitenansicht ein Querschnittsprofil, bei dem die Breite der Öffnung von oben nach unten abnimmt. Nur so lässt sich der gewünschte Volumenstrom seitlich wegführen und die gewünschte Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit erreichen.
Wesentlich ist auch, dass mindestens 70 % des Gesamtquerschnitts jeder Öffnung in einem Abschnitt verlaufen, der die obere Hälfte der Wand definiert, in Vertikalrichtung betrachtet.
In allen Fällen ergibt sich daraus für die ausfließende Metallschmelze, dass der Schmelzestrom im Bereich der Öffnung von unten nach oben breiter wird und oben eine geringere Strömungsgeschwindigkeit als unten aufweist. Die Strömungsrichtung kann durch entsprechende Ausbildung der Flanken der Öffnung eingestellt werden, insbesondere in dem Sinne, die Strömung so zu führen, dass sich der Querschnitt des Volumenstroms mit zunehmendem Abstand vom Pralltopf vergrößert.
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