[0001] Die Erfindung betrifft ein Gefäß zur Aufnahme einer Metallschmelze.
[0002] Die Erfindung umfasst alle Größen und Geometrien solcher Gefäße und unabhängig von
der Art der Metallschmelze.
[0003] Ein Gefäß der gattungsgemäßen Art, beispielsweise eine Gießpfanne (englisch: ladle),
hat im Wesentlichen eine Topfform und entsprechend einen Boden, von dem sich, in Axialrichtung
des Gefäßes, vom Boden weg, eine umfangseitig endlose Wand erstreckt. Häufig hat das
Gefäß angenähert eine Zylinderform, wobei in der Funktionsposition des Gefäßes das
obere Ende offen ist beziehungsweise mit einem Deckel abgedeckt werden kann. Die Axialrichtung
einer solchen Pfanne wird nachstehend als z-Richtung definiert.
[0004] Bei einem Kupfer-Konverter, wie er aus der
EP 2253916 B1 bekannt ist und der die Form eines liegenden Zylinders hat ist die z-Richtung in
der Funktionsposition des Konverters horizontal. Der Kupfer-Konverter ist an beiden
Enden mit einem abnehmbaren Deckel verschließbar. In der weiteren Terminologie wird
ein Deckel als Boden und ein Deckel als öffnungsbereich dieses metallurgischen Gefäßes
definiert.
[0005] Üblicherweise umfasst die Wand solcher Gefäße außenseitig einen Metallmantel und
innenseitig eine feuerfeste keramische Auskleidung. Die Auskleidung kann monolithisch
sein oder ganz beziehungsweise abschnittsweise aus Steinen (englisch: bricks) bestehen.
[0006] Die Steine sind oft im Steinverbund verlegt, wobei nebeneinander angeordnete Steine
sich zu einer Ringform ergänzen.
[0007] Bei normalem Füllungsgrad einer Pfanne oder eines Stahl-Konverters liegt auf dem
Metallschmelze-Bad eine Schlackenschicht auf, die besonders aggressiv gegenüber der
benachbarten feuerfesten Auskleidung ist. Die Dicke der Schlackenschicht bestimmt
die sogenannte Schlackenzone.
[0008] Dieser Bereich der Auskleidung muss entsprechend stabilisiert werden, damit sich
beim Aufheizen und Abkühlen des Gefäßes (der feuerfesten Auskleidung) in diesem Bereich
keine Spannungsrisse oder Fugen zwischen den Steinen bilden, die zu einer Metallschmelzeinfiltration
und damit zu einer Zerstörung des Feuerfestmaterials führen können.
[0009] Dies gilt insbesondere auch unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die gesamte
feuerfeste Auskleidung des Gefäßes sich beim Aufheizen beziehungsweise Abkühlen ausdehnt
oder schrumpft (entsprechend dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Feuerfestmaterials).
[0010] Um dieses Problem zu lösen hat man im Stand der Technik bei einer Gießpfanne versucht,
die oberste Steinreihe (den obersten Steinring) mit einer Metallplatte zu überdecken,
die am äußeren Metallmantel des Gefäßes befestigt ist und nach innen über die feuerfeste
Ausmauerung vorsteht.
[0011] Das Metallblech dient damit quasi als "Widerlager", welches einer Ausdehnung des
Feuerfestmaterials in Axialrichtung des Gefäßes entgegenwirkt. In der Praxis hat sich
jedoch gezeigt, dass die Stabilität eines solchen Blech-Widerlagers viel zu gering
ist, um die thermische Ausdehnung des Feuerfestmaterials zu kompensieren. Im Gegenteil:
Das Feuerfestmaterial drückt die metallische Abdeckung nach oben weg. Es kommt zu
weiteren Rissbildungen im Feuerfestmaterial. Dadurch verliert die Feuerfestauskleidung
ihre Stabilität und Fugen öffnen sich. Schmelze infiltriert und reduziert die Haltbarkeit
der Ausmauerung.
[0012] Der Erfindung liegt entsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzubieten,
thermische Dehnungen im Bereich der feuerfesten Auskleidung eines metallurgischen
Schmelzgefäßes effektiver zu kompensieren. Insbesondere soll ein Bereich unterhalb
und oberhalb der Schlackenzone optimiert werden. Die Stabilität der Ausmauerung soll
verbessert werden. Instandhaltungsarbeiten an der Feuerfestauskleidung sollen vereinfacht
werden.
[0013] Der Erfindung liegt folgender Gedanke zugrunde: Die thermische Ausdehnung der feuerfesten
Auskleidung des Gefäßes kann nicht vermieden werden. Sie ist werkstoffmäßig/physikalisch
gegeben. Entsprechend müssen andere Maßnahmen zur Kompensation der Dehnung getroffen
werden.
[0014] Dabei geht die Erfindung von der Überlegung aus, im oberen Bereich der Feuerfestauskleidung,
also der Öffnung des Gefäßes benachbart (bei einem Kupfer-Konverter ist die Öffnung
entsprechend dem Deckelbereich), mindestens eine Steinreihe der feuerfesten Auskleidung
"beweglich" auszubilden.
[0015] Dabei soll eine Beweglichkeit in zwei Richtungen des Koordinatensystems erlaubt sein:
- Eine erste Richtung verläuft radial (nach Innen) in Bezug auf die Mittenlängsachse
des Gefäßes, oder anders ausgedrückt: die Steine erhalten eine Beweglichkeit vom äußeren
Metallmantel weg in Richtung auf das Innere des Gefäßes. Diese Richtung wird im Weiteren
als X-Richtung bezeichnet.
- Die zweite Richtungskomponente verläuft in Z-Richtung, das ist parallel zur Längsachse
(Mittenlängsachse) des metallurgischen Gefäßes und damit vertikal bei einer Stahl-Gießpfanne
oder bei einem Stahl-Konverter, dagegen horizontal bei dem eingangs genannten Kupfer-Konverter.
[0016] Die Richtungsangaben beziehen sich dabei auf einen "Normalzustand" des Gefäßes, bei
dem der Boden horizontal verläuft.
[0017] Mit diesen zwei Freiheitsgraden können die nebeneinander angeordneten, sich zu einem
Ringabschnitt oder Ring ergänzenden Steine nach innen und oben "wandern", wenn die
darunter angeordneten Steine der feuerfesten Auskleidung oder eine darunter angeordnete
monolithische Auskleidung sich unter thermischer Last ausdehnt.
[0018] Diese Beweglichkeit setzt eine entsprechende Geometrie der Steine voraus, aber auch
einen Abstand benachbarter Steine im Ursprungszustand, um der "Konizität" der Steine,
aufgrund der angenäherten Zylinderform des Gefäßes, Rechnung zu tragen.
[0019] Mit anderen Worten: Die Steine der feuerfesten Auskleidung sind innenseitig schmaler
als außenseitig, jeweils in Umfangsrichtung des metallurgischen Gefäßes beziehungsweise
seiner feuerfesten Ausmauerung betrachtet. Damit die Steine nach innen (radial nach
innen) sich bewegen können müssen benachbarte Steine zunächst einen Abstand zueinander
aufweisen, der sich mit zunehmender Verschiebung in X-Richtung verkleinert.
[0020] Die Größe des Abstandes (der Fuge) ist abhängig vom thermischen Ausdehnungsverhalten
der feuerfesten Ausmauerung und den üblichen Betriebstemperaturen. Sie kann entsprechend
mathematisch ohne weiteres ermittelt werden.
[0021] In ihrer allgemeinsten Ausführungsform betrifft die Erfindung danach ein Gefäß zur
Aufnahme einer Metallschmelze mit folgenden Merkmalen:
- einem Boden,
- einer umfangseitig endlosen Wand, die sich, in Axialrichtung des Gefäßes, vom Boden
weg erstreckt,
- die Wand weist außenseitig einen Metallmantel und innenseitig eine feuerfeste keramische
Auskleidung auf,
- die feuerfeste keramische Auskleidung besteht an ihrem, dem Boden abgewandten freien
Ende aus Steinen, die nebeneinander zu mindestens einem ersten Ring konfektioniert
sind und mindestens eine Öffnung des Gefäßes definieren,
- benachbarte Steine des ersten Rings sind im Abstand zueinander angeordnet,
- eine Mehrzahl der Steine des ersten Rings ist auf der Rückseite, dem Metallmantel
benachbart, jeweils mit einer Schrägfläche ausgebildet, die sich nach innen und vom
Boden weg erstreckt,
- radial nach außen, hinter den Steinen des ersten Rings, verläuft zwischen Metallmantel
und Steinen ein am Metallmantel befestigter erster Anschlag mit einer, zur Schrägfläche
der Steine korrespondierenden inneren Anschlagfläche.
[0022] Der Begriff "Ring" inkludiert - wie ausgeführt - auch einzelne Ringabschnitte. Beispielsweise
bei Gefäßen, die am oberen freien Ende der Wand eine seitlich nach Außen führende
Auslaufzone aufweisen wird der Ring nicht geschlossen sein, sondern mindestens eine
Unterbrechung aufweisen.
[0023] Die Schrägfläche der Steine gibt die Bewegungsrichtung der Steine (nach innen, nach
oben) vor, wobei der genannte Anschlag ein korrespondierendes Gegenlager bildet. Dieser
Anschlag ist deshalb ortsfest und beispielsweise am äußeren Metallmantel des Gefäßes
befestigt.
[0024] Dabei kann der Anschlag materialschlüssig mit dem Metallmantel verbunden sein. Der
Anschlag kann im Querschnitt dreieckig oder trapezartig sein. In beiden Fällen wird
die gewünschte Schrägfläche ausgebildet.
[0025] Der Winkel der Schrägfläche der Steine beziehungsweise der Winkel der Anschlagfläche
variiert je nach Gefäßtyp und den lokalen Anwendungsbedingungen.
[0026] Nach einer Ausführungsform verläuft die Anschlagfläche des Anschlags unter einem
Winkel zwischen 5 und 60° zur Axialrichtung des Gefäßes, wobei als Axialrichtung des
Gefäßes eine Richtung bezeichnet wird, die im Wesentlichen senkrecht zum Boden verläuft.
[0027] Entsprechend kann der Winkel der Schrägfläche der Steine des ersten Rings zwischen
30 und 85° angegeben werden, und zwar in Bezug auf eine Ebene, die senkrecht zur Axialrichtung
des Gefäßes ist.
[0028] Üblicherweise werden die Winkel der Anschlagfläche zwischen 30 und 50° liegen, die
der Schrägfläche der Steine zwischen 60 und 40°.
[0029] Zwischen der feuerfesten Auskleidung und dem Metallmantel kann mindestens abschnittsweise
eine Isolierschicht vorgesehen werden. Bei einer solchen Ausführungsform können die
Steine des ersten Rings - in X-Richtung - länger ausgebildet sein als die weiteren
Steine der Auskleidung, damit sie außenseitig unmittelbar am Metallmantel anliegen
können (in der Ausgangsposition, das heißt bei der Neuzustellung oder nach einer Reparatur).
[0030] Die Steine des ersten Rings werden vorzugsweise trocken verlegt.
[0031] Der Abstand zwischen benachbarten Steinen (zwischen korrespondierenden Flächen benachbarter
Steine) des ersten Rings kann mit einem komprimierbaren oder verbrennbaren Material
(Fugenmaterial) ausgefüllt werden.
[0032] Die Auswahl des Fugenmaterials erfolgt so, dass sichergestellt ist, dass die Steine
bei thermischer Ausdehnung des benachbarten Feuerfestmaterials eine freie Beweglichkeit
in X- und Z-Richtung haben.
[0033] Geeignete Fugenwerkstoffe sind: Faserdämmstoff, Karton, Bitumenvlies, Schaumkunststoffe.
Ebenso ist ein Luftspalt möglich.
[0034] Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Steine des ersten
Rings gepresste und gebrannte Erzeugnisse sind. Vorzugsweise bestehen die Steine aus
einer hochwertigen Sorte, beispielsweise aus einem Magnesia-Chromit-Versatz.
[0035] Es liegt im Rahmen der Erfindung, das Gefäß mit weiteren analogen Ringen aus feuerfesten
Steinen auszubilden, wobei dieser Ring oder diese Ringe dann im Abstand zum ersten
Ring sowie im Abstand zum Boden des Gefäßes angeordnet werden. Solche weiteren Ringe
bestehen ebenfalls aus Steinformaten, wie sie zum ersten Ring beschrieben wurden und
analog ist außen neben diesen Steinen dann jeweils ein entsprechender Anschlag (wie
vorstehend beschrieben) angeordnet, der als Gegenlager für die beweglichen Steine
innerhalb des Rings dient.
[0036] Die Erfindung lässt sich vorteilhaft für eine metallurgische Gießpfanne realisieren,
ebenso aber auch für andere Gefäße insbesondere solche Gefäße, die mindestens einen
Boden und eine weitgehend zylindrische Wand aufweisen (z. B. Konverter).
[0037] Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche
sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.
[0038] Beispielsweise kann der Anschlag (das Widerlager) gekühlt werden, um thermische Dehnungen
zu reduzieren. Dazu kann der Anschlag an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen werden.
[0039] Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigen- jeweils in schematisierter Darstellung -
- Figur 1:
- einen Vertikalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gefäß,
- Figur 2:
- eine vergrößerte Darstellung eines Wandbereichs einer weiteren Ausführungsform eines
Gefäßes.
[0040] In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen
dargestellt.
[0041] In Figur 1 ist eine Gießpfanne dargestellt, die einen Boden B und eine im Wesentlichen
zylinderförmige Wand W aufweist, die sich vom Boden B nach oben erstreckt und am oberen
freien Ende eine Öffnung O definiert.
[0042] Im Boden B ist ein Gasspülelement G integriert.
[0043] Das Gefäß (die Gießpfanne) weist einen äußeren Metallmantel M im Wand-und Bodenbereich
auf. Innenseitig schließt sich eine feuerfeste keramische Auskleidung A an, wobei
im Wandbereich zwischen feuerfesten Steinen S der Auskleidung A und dem Metallmantel
M zwei Isolierschichten I verlaufen.
[0044] Zwei gegenüberliegende Gießbereiche Z am oberen Ende des Gefäßes sind schematisch
dargestellt.
[0045] Das obere Ende der Gefäßwand W wird auch als Gasbereich (englisch: freeboard) bezeichnet.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist in diesem Bereich ein erster Ring R1 aus
feuerfesten Steinen 10 vorgesehen, die nebeneinander unter Ausbildung des ersten Rings
R1 konfektioniert sind und entsprechend die Öffnung O des Gefäßes definieren.
[0046] Dabei sind benachbarte Steine 10 des ersten Rings R1 im Abstand zueinander angeordnet
und dieser Abstand ist mit einem Bitumenvlies 14 ausgefüllt, welches bei Temperaturen
oberhalb 200°C erweicht und anschließend nahezu rückstandsfrei ausbrennt.
[0047] Die Steine 10 des Rings R1 sind auf ihrer Rückseite, dem Metallmantel M benachbart,
jeweils mit einer Schrägfläche 10s ausgebildet, die unter einem Winkel α von 45° zur
Horizontalen verläuft.
[0048] Die Steine 10 liegen mit ihrer Schrägfläche 10s gegen eine korrespondierende Anschlagfläche
20a eines Anschlags 20 an, der radial nach außen, hinter den Steinen 10 verläuft und
am Metallmantel M befestigt ist.
[0049] Bei der Neuzustellung oder nach einer Reparatur verlaufen die Innenflächen der Steine
S der Auskleidung A und der Steine 10 des Rings R1 im Wesentlichen fluchtend zueinander,
wie in Figur 2 links dargestellt.
[0050] Wird das Gefäß mit einer Metallschmelze gefüllt erwärmt sich die feuerfeste Auskleidung
A entsprechend und die Steine S dehnen sich, und zwar in Richtung Z (rechter Teil
von Figur 2).
[0051] Die so unter Axialdruck (in Richtung Z) stehenden Steine 10 innerhalb des Rings R1
werden entsprechend nach oben (in Richtung Z) gedrückt, also gegen die Anschlagfläche
20a des Anschlags 20. Dabei können die Steine 20 erfindungsgemäß mit ihren Schrägflächen
10s entlang der Anschlagflächen 20a gleiten, und zwar sowohl in Richtung auf das Innere
des metallurgischen Gefäßes (in Richtung X) als auch in Richtung Z, wie im rechten
Teil von Figur 2 schematisch dargestellt (Überstände X1, Z1).
[0052] Mit der Verschiebung der Steine 10 nach innen (in X-Richtung) verringern sich auch
die Fugenbreiten benachbarter Steine 10, wobei das in den Fugen liegende Dämmmaterial
zunächst komprimiert wird und dann ausbrennt.
[0053] Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist unterhalb des Rings R1 ein zweiter Ring
R2 aus feuerfesten Steinen 12 angeordnet und entsprechend ein weiterer Anschlag 22.
Dabei gelten die vorstehenden Ausführungen zum Ring R1 und den Freiheitsgraden der
Steine 10 entsprechend für den Ring R2 und die Freiheitsgrade der Steine 12.
[0054] Der Winkel zwischen der Anschlagfläche 22a und der Axialrichtung AR-AR (=Axialrichtung
des Gefäßes) beträgt wiederum 45°.
[0055] Die Verschiebewege der Steine 12 sind mit X2, Z2 angegeben.
[0056] Figur 2 zeigt auch einen Kühlmittelanschluss K im Bereich des Anschlags 10, um den
Anschlag 10 im Betrieb zu kühlen und thermische Dehnungen zu reduzieren.
1. Gefäß zur Aufnahme einer Metallschmelze mit folgenden Merkmalen:
a) einem Boden (B)
b) einer umfangsseitig endlosen Wand (W), die sich, in Axialrichtung des Gefäßes,
vom Boden (B) weg erstreckt,
c) die Wand (W) weist außenseitig einen Metallmantel (M) und innenseitig eine feuerfeste
keramischen Auskleidung (A) auf,
d) die feuerfeste keramische Auskleidung (A) besteht an ihrem, dem Boden (B) abgewandten
freien Ende (E) aus Steinen (10), die nebeneinander zu mindestens einem ersten Ring
(R1) konfektioniert sind und mindestens eine Öffnung (O) des Gefäßes definieren,
e) benachbarte Steine (10) des ersten Rings (R1) sind im Abstand zueinander angeordnet,
f) eine Mehrzahl der Steine (10) des ersten Rings (R1) ist auf der Rückseite, dem
Metallmantel (M) benachbart, jeweils mit einer Schrägfläche (10s) ausgebildet, die
sich nach innen und vom Boden (B) weg erstreckt,
g) radial nach außen, hinter den Steinen (10) des ersten Rings (R1), verläuft zwischen
Metallmantel (M) und Steinen (10) ein am Metallmantel (M) befestigter erster Anschlag
(20) mit einer, zur Schrägfläche (10s) der Steine (10) korrespondierenden inneren
Anschlagfläche (20a).
2. Gefäß nach Anspruch 1, dessen Anschlag (20) materialschlüssig mit dem Metallmantel
(M) verbunden ist.
3. Gefäß nach Anspruch 1, dessen Anschlag (20) ringförmig gestaltet ist.
4. Gefäß nach Anspruch 1, dessen Anschlag (20) im Querschnitt dreieckig oder trapezartig
ist.
5. Gefäß nach Anspruch 1, bei dem die Anschlagfläche (20a) des Anschlags (20) unter einem
Winkel zwischen 5 und 60° zur Axialrichtung des Gefäßes verläuft.
6. Gefäß nach Anspruch 1, bei dem die Schrägfläche (10s) der Steine (10) des ersten Rings
(R1) unter einem Winkel zwischen 30 und 85° zu einer Ebene verläuft, die senkrecht
zur Axialrichtung des Gefäßes ist.
7. Gefäß nach Anspruch1, bei dem zwischen der feuerfesten keramischen Auskleidung (A)
und dem Metallmantel () zumindest abschnittweise eine Isolierschicht (I) liegt.
8. Gefäß nach Anspruch 1, bei dem die Steine (10) des ersten Rings (R1) trocken verlegt
sind.
9. Gefäß nach Anspruch 1, bei dem zwischen benachbarten Steinen (10) des ersten Rings
(R1) ein komprimierbares oder verbrennbares Fugenmaterial (30) angeordnet ist.
10. Gefäß nach Anspruch 9, bei dem das Fugenmaterial (30) ein Material aus der Gruppe:
Faserdämmstoff, Karton, Bitumenvlies ist.
11. Gefäß nach Anspruch 1, bei dem die Steine (10) des ersten Rings (R1) außenseitig,
dem Metallmantel benachbart, in Umfangsrichtung des ersten Rings breiter als innenseitig
sind.
12. Gefäß nach Anspruch 1, bei dem die Steine (10) des ersten Rings (R1) gepresste und
gebrannte Erzeugnisse sind.
13. Gefäß nach Anspruch 1, mit mindestens einem weiteren Ring (R2) aus feuerfesten keramischen
Steinen (12), die analog zu den Steinen (10) des ersten Rings (R1) gestaltet und im
Abstand zum ersten Ring (R1) sowie im Abstand zum Boden (B) verlaufen sowie mit mindestens
einem korrespondierenden weiteren Anschlag (22), der analog zum ersten Anschlag (20)
gestaltet ist.
14. Gefäß nach Anspruch 1 in Form einer metallurgischen Gießpfanne.
15. Gefäß nach Anspruch 1, bei dem der Anschlag (10) kühlbar ist.