Die Erfindung betrifft eine Befestigungsvorrichtung für einen zylinderförmigen keramischen Hohlkörper, wie er beispielsweise in feuerfesten keramischen Gasspülsteinen benutzt wird, um eine sogenannte gerichtete Porosität im Gasspülstein zu ermöglichen.
Der Gasspülstein wird im Boden oder der Wand eines metallurgischen Gefäßes eingebaut, um eine Metallschmelze mit einem Gas zu behandeln, das über den Gasspülstein in die Metallschmelze eingedüst wird.
Ein Gasspülstein mit gerichteter Porosität zeichnet sich dadurch aus, dass ein Behandlungsgas entlang eines definierten, meist linearen Strömungsweges von einem ersten Ende, dem sogenannten kalten Ende des Gasspülsteins, zu einem zweiten, sogenannten heißen Ende des Gasspülsteins transportiert wird. Das heiße Ende ist das Ende, welches in Kontakt mit der Metallschmelze ist.
Die gerichtete Porosität kann entweder durch Schlitze oder Bohrungen in einem feuerfesten Matrixmaterial ausgebildet werden. Diese Technik ist insbesondere bei größeren Gasspülelementen schwierig, weshalb zylinderförmige keramische Hohlkörper (nachstehend auch Spülröhrchen genannt) entwickelt wurden, die mit einem dichten feuerfesten Matrixmaterial umgeben sind.
Diese zylinderförmigen keramischen Körper bestehen aus einem dichten, temperaturbeständigen keramischen Werkstoff (beispielsweise auf Basis Aluminiumoxid und/oder Zirkondioxid) und weisen ein- oder mehrere axial verlaufende Strömungskanäle (Kanäle zum Durchleiten des Gases) auf.
Diese "Spülröhrchen" müssen präzise und möglichst gasdicht im Gasspülstein befestigt werden. Dazu sind verschiedene Befestigungsvorrichtungen bekannt, in die die Spülröhrchen eingespannt werden. Um eine spielfreie Befestigung (englisch: fixation free of play) zu erreichen werden verformbare Kohlenstoff-Dichtungen verwendet.
Diese Kohlenstoff-Dichtungen haben jedoch den Nachteil, dass sie zerstört werden (verbrennen), wenn sie bei den hohen Anwendungstemperaturen mit einem sauerstoffhaltigen Gas in Berührung kommen.
Der Erfindung liegt insoweit die Aufgabe zugrunde, eine Befestigungsvorrichtung der genannten Art anzubieten, die unabhängig vom Behandlungsgas eine sichere und definierte Fixierung der Spülröhrchen erlaubt.
Bei der Suche nach einer Lösung für dieses Problem wurden folgende Überlegungen angestellt:
Überraschend wurde gefunden, dass die empfindlichen keramischen Spülröhrchen (zylinderförmige Hohlkörper) sicher und dauerhaft in einer Befestigungsvorrichtung verpresst werden können, wenn dabei einige konstruktive Merkmale berücksichtigt werden.
In ihrer allgemeinsten Ausführungsform betrifft die Erfindung danach eine Befestigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
Die
Indem die Innenwand nach innen (in den Öffnungsquerschnitt hinein) beim Einsetzen des Presskörpers verformt wird entsteht gleichzeitig die gewünschte Fixierung des zylinderförmigen keramischen Körpers (des Spülröhrchens), welches zuvor in die Befestigungsvorrichtung, einschließlich der genannten Öffnung, eingesetzt wurde.
Überraschend hat sich gezeigt, dass die flächige Verformung des Innenwand der Nut mehrere Aufgaben gleichzeitig erfüllt, nämlich:
Im Sinne einer bestmöglichen Positionierung, Fixierung und Abdichtung der Spülröhrchen in der Befestigungsvorrichtung ist es vorteilhaft, wenn Spülröhrchen, Öffnung und Nut eine rotationssymmetrische Geometrie aufweisen.
Der Querschnitt (insbesondere der Durchmesser bei runden Geometrien) der Öffnung im Boden der Befestigungsvorrichtung ist dabei gleich oder geringfügig größer als der Querschnitt (der Außendurchmesser) des Spülröhrchens. Dies gilt analog für den Innenquerschnitt (Innendurchmesser) der Innenwand der Nut. Mit anderen Worten: Die innere Wand der Nut verläuft im besten Fall fluchtend zur äußeren Wand der Öffnung beziehungsweise bildet einen oberen Abschnitt der Öffnung. Dadurch wie die axiale Länge der Öffnung vergrößert, wodurch das in der Öffnung platzierte Spülröhrchen besser geführt und fixiert werden kann.
Die (ringförmige) Nut selber kann in Radialrichtung einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Durch den konischen Querschnitt der Wand des ringförmigen Presskörpers wird es trotzdem möglich, die Innenwand der Nut in Richtung auf das Spülröhrchen zu verformen, wenn der Presskörper von oben in die Nut eingeschlagen wird. Aufgrund der rotationssymmetrischen Geometrie ist die Kräfteverteilung über den Umfang gleichmäßig. Spannungsspitzen werden vermieden.
Ebenso kann aber auch die ringförmige Nut im Boden einen nach oben, zum offenen Ende hin größer werdenden Querschnitt aufweisen, jeweils in Radialrichtung der Nut betrachtet. Mit anderen Worten: Die Innenwand der Nut weist eine Wandstärke auf, die sich zum freien Ende hin verjüngt. In diesem Fall kann - quasi in kinematischer Umkehr - auch ein ringförmiger Presskörper mit gleichmäßiger Wandstärke verwendet werden, sofern diese größer ist als die Breite der Nut im vertikal unteren Abschnitt.
In allen Fällen ist die Form des Presskörpers so zu wählen, dass er im unbelasteten Zustand über eine kleine Strecke in die Nut eintauchen kann (um Nut und Presskörper zueinander zu positionieren), bevor der Presskörper dann in Axialrichtung der Befestigungsvorrichtung weiter in die Nut eingepresst wird und die Innenwand der Nut, gegebenenfalls auch die Außenwand der Nut, verformt. Die Verformbarkeit der Innenwand der Nut (also der Wand, die die Nut in Richtung auf die Bodenöffnung des Gehäuses begrenzt), wird größer, wenn diese Innenwand auf ihrer Innenfläche und/oder Außenfläche eine oder mehrere Vertiefungen oder Aussparungen aufweist, beispielsweise in Form von umlaufenden Rillen.
Die gleichzeitige Verformung der Außenwand der Nut hat den Vorteil, dass eine zusätzliche Fixierung gegenüber dem Grundkörper der Befestigungsvorrichtung möglich wird, was insbesondere dann wichtig ist, wenn die ringförmige Nut in einem diskreten (eigenständigen) Bauteil verläuft, welches einen oberen Abschnitt des Bodens bildet und weitgehend spielfrei im Raum angeordnet ist. "Weitgehend spielfrei" bedeutet, dass das Bauteil zwar bei der Herstellung der Befestigungsvorrichtung leicht in den Raum eingeführt werden kann, sobald es seine Endposition erreicht hat diese aber auch behält. Auch diese Außenwand der Nut kann auf ihrer Innenfläche und/oder Außenfläche (die Außenfläche liegt am Grundkörper) mit Vertiefungen ausgebildet sein, wie sie vorstehend für die Innenwand beschrieben wurden.
Aufgrund dieser Vertiefung(en) wird die gewünschte Verformung und damit die Klemm- und Dichtwirkung des Presskörpers im Gegenstück (gegenüber den Wänden der Nut) optimiert.
Die Vertiefung(en) können beispielsweise ein sägezahnartiges Profil aufweisen, welches unter anderem dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens eine Wand der Vertiefung in einem Winkel ungleich 90° zur Oberfläche des jeweiligen Körpers verläuft.
Ein Ausführungsbeispiel dazu ist in einem der folgenden Ausführungsbeispiele dargestellt.
Insoweit kann das gesamte diskrete Bauteil aus einem unter Druck plastisch verformbaren Material bestehen.
Auch der Presskörper selbst kann aus einem unter Druck plastisch verformbaren Material hergestellt werden.
Das plastisch verformbare Material wird wie folgt näher gekennzeichnet:
Grundsätzlich kommt jedes Material in Frage, das neben einer ausreichenden Basisfestigkeit eine höhere Verformbarkeit (unter Last) als das keramische Material des Spülröhrchens hat. Grundsätzlich könnte deshalb beispielsweise Roheisen verwendet werden. Eine sinnvolle Auswahl kann über die Festigkeit (in MPa) der Werkstoffe erfolgen. Bei keramischen Werkstoffen wird die Druckfestigkeit gemäß ÖNORM EN 993-5:1998 bestimmt. Bei den verformbaren, insbesondere metallischen Werkstoffen wird die Zugfestigkeit gemäß DIN EN ISO 6892-1:2009 ermittelt.
Das keramische Material (zum Beispiel auf Basis Aluminiumoxid) der Hohlkörper hat meist eine Druckfestigkeit im Bereich 2000 bis 3000 MPa. Das verformbare Material der Dichtungswände (insbesondere der Wand auf der Innenseite der Nut oder des gesamten diskreten Bauteils mit Nut) umfasst beispielsweise Werkstoffe auf Basis von Kupfer, Kupfer-Zinn, Kupfer-Zinn-Zink, Kupfer-Zink, Kupfer-Aluminium, Kupfer-Blei, Kupfer-Nickel, Kupfer-Nickel-Zink, Aluminium etc. Typische Zugfestigkeitswerte dieser Werkstoffe liegen unter 600MPa, oft < 500Mpa, <400MPa oder <300MPa.
Die axiale Länge der Befestigung der Spülröhrchen in der Befestigungsvorrichtung kann unterschiedlich sein, je länger, umso besser. Mehrere Befestigungsvorrichtungen können axial hintereinander und/oder auf gleicher axialer Höhe nebeneinander innerhalb eines feuerfesten Matrixmaterials eines Gasspülelements konfektioniert (platziert) werden.
Nach einer Ausführungsform weist die Befestigungsvorrichtung einen Deckel auf, der am Grundkörper befestigbar ist. Der Deckel weist eine Deckelöffnung auf, die konzentrisch zur Öffnung im Boden des Grundkörpers verläuft.
Bei dieser Ausführungsform wird das Spülröhrchen also mindestens an zwei Stellen geführt, die im Abstand zueinander stehen, nämlich im Bereich der Öffnung im Deckel und im Bereich der Öffnung im Boden des Grundkörpers.
Diese Führung für das Spülröhrchen kann optimiert werden, wenn der Deckel eine Verlängerung aufweist, die in den Raum des Grundkörpers ragt und diese Verlängerung eine axiale Fortsetzung der Deckelöffnung umfasst. Das erlaubt es, das Spülröhrchen auch deckelseitig über eine gewisse axiale Länge zu stabilisieren.
Vorzugsweise ist die axial verlaufende Verlängerung des Deckels so gestaltet, dass sie formschlüssig im Grundkörper liegt. Dabei entsteht eine Art "Rohr im Rohr-Fixierung".
Der Deckel kann beispielsweise am Grundkörper verschraubt werden. Das Gewinde kann an der Verlängerung verlaufen und mit einem Innengewinde auf der Innenseite des Grundkörpers zusammenwirken, wie in der folgenden Figur dargestellt.
Reicht die Verlängerung bis zum Boden des Grundkörpers (im montierten Zustand) wird eine durchgehende axiale Führung für das Spülröhrchen geschaffen. Ein Ende des Gasspülröhrchens ragt in die Öffnung am Boden (über diese Öffnung wird Gas, meist von einer Gasverteilkammer des Gasspülelements, zugeführt) und ein wesentlicher Teil des Spülröhrchens ragt oben über die Befestigungsvorrichtung hinaus und verläuft anschließend durch das keramische Matrixmaterial des Spülers bis zum gasauslassseitigen Ende.
Für das zugehörige Gasspülelement, welches ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist, ergeben sich daraus folgende Merkmale in einer Funktionsposition im Boden eines metallurgischen Gefäßes:
Wenn der Grundkörper der Befestigungsvorrichtung aus Metall besteht kann die Befestigungsvorrichtung leicht an einer Metalldecke der Gasverteilkammer befestigt werden, beispielsweise durch Schweißen. Dazu werden die Befestigungsvorrichtungen in korrespondierende Durchbrechungen der Metalldecke geführt und anschließend dort versch weißt.
Wichtig ist, dass über die Öffnungen im Boden der Befestigungsvorrichtungen eine Gaszufuhr von der Gasverteilkammer in die Spülröhrchen möglich ist.
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,
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich alle Angaben auf die Montage eines Gasspülsteins im Boden eines metallurgischen Gefäßes wie einer Pfanne (englisch: ladle), bei der ein Behandlungsgas das Gasspülelement in Axialrichtung von unten nach oben durchströmt.
Die in
Am oberen Ende ist die Gasverteilkammer GV von einem Metallblech MB begrenzt. Das Metallblech MB weist mehrere Durchbrechungen DB auf, von denen in
Durch jede Durchbrechung DB ragt ein unteres Ende 12E einer Befestigungsvorrichtung 10. wie sie nachstehend näher beschrieben wird. Durch jede Befestigungsvorrichtung 10 verläuft ein zylinderförmiger keramischer Hohlkörper, auch Spülröhrchen SR genannt. Jedes Spülröhrchen SR liegt mit einem unteren Ende im Bereich der Durchbrechungen DB ein und verläuft in Axialrichtung durch ein Matrixmaterial MM des Gasspülsteins bis zu dessen Stirnfläche ST, wobei die Stirnfläche ST im Funktionszustand des Gasspülsteins gegen eine Metallschmelze MS anliegt.
Ein Behandlungsgas wird entsprechend über das Gaszuführrohr GZ eingeleitet, strömt dann durch die Gasverteilkammer GV und die Durchbrechungen DB in die Spülröhrchen SR, bevor es die Spülröhrchen SR über die Stirnfläche ST verlässt und in die Metallschmelze MS strömt.
Dadurch, dass das Gas mehr oder weniger in einer Richtung (axial) den Gasspülstein durchströmt kann dieser Gasspülstein als Gasspülstein mit gerichteter Porosität (englisch: directed porosity) bezeichnet werden, obwohl das Matrixmaterial MM weitgehend gasdicht ist.
Die Befestigungsvorrichtung 10 besteht aus einem Grundkörper 12, der mit seinem Boden 12B und einer umlaufenden Wand 12W einen zylinderförmigen Raum 12R mit einer korrespondierenden Mittenlängsachse M definiert.
Der Boden 12B weist eine Öffnung 12O auf, deren Längsachse L mit der Mittenlängsachse M fluchtet.
Auf dem Boden 12B liegt ein diskretes Bauteil 14 auf, welches im Wesentlichen eine Topfform hat. Das Bauteil 14 weist eine Boden 14B auf, der auf dem Boden 12B des Grundkörpers 12 aufliegt und damit einen oberen Abschnitt des Bodens bildet. Das Bauteil 14 weist außerdem eine Innenwand 14I und eine Außenwand 14A auf. Zwischen Innenwand 14I und Außenwand 14A wird eine Nut 14N gebildet, die im unbelasteten Zustand (nicht dargestellt) im Wesentlichen einen Rechteckquerschnitt besitzt.
Eine Innenflächen 14II der Innenwand 14I und eine Außenfläche 14AA der Außenwand 14A des Bauteils 14 ist durch mehrere ringförmige Rillen 14R gekennzeichnet, die untereinander (in Axialrichtung LM) sägezahnartig verbunden sind.
Die Befestigungsvorrichtung gemäß
Mit anderen Worten: die ringförmige Innenwand 14I, die die Nut 14N innenseitig begrenzt, hat sich nach Einschlagen des Presskörpers 16 radial nach innen verformt und dabei gegen die Außenwand des Spülröhrchen SR angelegt, und zwar flächig, und dieses in der Befestigungsvorrichtung 10 sicher und gasdicht fixiert.
Um diese Verformung zu erreichen besteht das Bauteil 14 aus Messing, während der Grundkörper 12 ein Stahlkörper ist. Unter dem Druck des Presskörpers 14 hat sich nicht nur die Innenwand 14I des Körpers 14 verformt und ist quasi zu einer Dichtung für das Spülröhrchen SR geworden; gleichzeitig wurde auch die Außenwand 14A des Bauteils 14 radial nach außen gedrückt und damit das Bauteil 14 im Grundkörper 12 verspannt.
Das Einschlagen (Eindrücken) des Pressstempels/Presskörpers 14 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel mithilfe eines Deckels 18, der unterhalt eines Kopfes 18K eine axial verlaufende Verlängerung 18V mit einem Außengewinde 18A aufweist, welches mit einem korrespondierenden Innengewinde 12I des Grundkörpers zusammenwirkt.
Kopf 18K und Verlängerung 18V weisen eine durchgehende Bohrung 18O auf, die dazu dient, das Spülröhrchen SR spielfrei zu positionieren. Die Bohrung 18O verläuft also im Wesentlichen konzentrisch/fluchtend zur Öffnung 12O und zu dem Freiraum, der von der Innenwand 14I begrenzt wird..
Sobald die untere Stirnfläche 18U des Deckels 16 den Presskörper 14 erreicht hat, wird dieser weiter nach unten in die Nut 14N gedrückt, um die gewünschte Verformung, insbesondere der Innenwand 14I zu erreichen, bis die gewünschte Fixierung des Spülröhrchen SR erreicht ist.
Zwischen dem Deckelkopf 18K und dem korrespondierenden oberen Rand des Grundkörpers 12 wird dann nur noch ein kleiner Spalt S (aus Toleranzgründen) bestehen, wenn der Presskörper 16 maximal in die Nut 14N eingedrückt wurde.
Die Fixierung der Befestigungsvorrichtung 10 am Metallblech MB erfolgt entweder durch Verschweißen (Schweißnaht V) im Bereich der Durchbrechung DB oder durch Ausbildung korrespondierender Innen-/Außengewinde von Durchbrechung DB und Außenfläche des unteren, verjüngten Endes 12E des Grundkörpers 12.
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