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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leitwand und ein Verfahren zur Entfernung von
Aluminiumoxid und anderen nichtmetallischen Einschlüssen aus in Gießwannen oder
Zwischenbehältern enthaltener Stahlschmelze gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1
bzw. 4.
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Stahlschmelze enthält als Verunreinigung oft Aluminiumoxid und andere Materialien.
Wenn keine Entfernung des Aluminiumoxids erfolgt, bildet es unerwünschte
Einschlüsse im gegossenen Stahl und verringert daher seinen Wert. Ein besonders
unangenehmes Problem mit Aluminiumoxid-Einschlüssen in dem in Gießwannen
enthaltenen Stahl besteht darin, daß die Aluminiumoxid-Einschlüsse im Lauf der Zeit
dazu neigen, sich im Bereich um und in den Gießdüsen am Boden der Gießwannen
abzulagern. Diese Ablagerungen bauen sich auf und bewirken eine Blockierung oder
Beschränkung des Flusses der aus der Gießwanne gegossenen Stahlschmelze. Das
Aluminiumoxid lagert sich selektiv an und in den Düsen ab, da diese üblicherweise aus
Aluminiumoxid bestehen und keine glatten Oberflächen besitzen, wie man sie oft in
den Seitenwänden der Gießwanne vorfindet. Die chemische Kompatibilität der Düse
fördert das Anhaften der Al&sub2;O&sub3;-Einschlüsse an der Düse.
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Gießwannen können grob in drei Kategorien eingeteilt werden. Die erste umfaßt jene
großer Dimension zum Gießen von Brammen. Diese Gießwannen besitzen
üblicherweise eine Düse. Mittlere und kleine Gießwannen dienen zum Gießen von
Vorblöcken bzw. Barren und Knüppeln. Diese kleineren Gießwannen können zwei bis
acht Gießdüsen aufweisen.
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Bis zur vorliegenden Erfindung wurde Aluminiumoxid entfernt, indem das
Aluminiumoxid und andere Verunreinigungen in der Stahlschmelze als Schlacke auf der
Stahloberfläche aufschwimmen gelassen wurden. Dieses Verfahren ist nicht 100%ig
zufriedenstellend, da im Falle einer schlechten Zirkulation der Stahlschmelze in der
Gießwanne die Verunreinigungen nicht zur Oberfläche aufschwimmen und zur
Schlacke werden.
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Zur Verbesserung der Zirkulation von flüssigem Metall in "Toträume" und daher zur
Verlängerung der Verweilzeit des flüssigen Metalls wurden Gießwannen entwickelt,
worin der Metallfluß durch Trennwände abgelenkt wird. Diese Trennwände weisen
üblicher-, doch nicht notwendigerweise im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf
und erstrecken sich zwischen den Gießwannenwänden in einer zum Hauptmetallfluß
quer gerichteteten Richtung zwischen den Metalleintritts- und -austrittspunkten. Eine
Trennwandart, die man üblicherweise als Wehr bezeichnet, befindet sich im oberen
Teil der Gießwannenwände und verhindert, daß das flüssige Metall kontinuierlich über
die Oberfläche des Metallbads fließt, während ein Fließen des flüssigen Metalls
unterhalb des Wehrs ermöglicht wird. Eine weitere Trennwandart, die man
üblicherweise als Damm bezeichnet, befindet sich zwischen den Gießwannenwänden
in einem unteren Teil davon und ragt vom Gießwannenboden nach aufwärts. Der Fluß
des flüssigen Metalls in einer mit einem Damm ausgestatteten Gießwanne wird so
geleitet, daß er über die Dammoberfläche erfolgt. Dämme und Wehre können zur
Verbesserung der Zirkulation gemeinsam verwendet werden. Die dritte und
wirkungsvollste Vorrichtung zur Verbesserung der Zirkulation in Gießwannen sind
Leitwände, bei denen es sich um Trennwände handelt, die Öffnungen unterhalb des
normalen Oberflächenpegels des geschmolzenen Stahls in der Gießwanne aufweisen.
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Wenn das Aluminiumoxid die Düsen der Gießwannen verlegt, besteht ein anderes
Verfahren zur Linderung dieses Problems darin, das abgelagerte Aluminiumoxid
händisch mit Stangen auszuräumen. Dieses Verfahren ist arbeitsintensiv und führt oft
zum Brechen oder Splittern der keramischen Gießdüsen am Boden der Gießwannen.
Außerdem sind infolge dieses Stangenräumverfahrens Mengen an Al&sub2;O&sub3; in der
Gießform und demnach auch im Endprodukt vorhanden.
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Wenn es möglich wäre, ein verbessertes Verfahren zur Entfernung von Aluminiumoxid
aus der Stahlschmelze in Gießwannen bereitzustellen, das einfach und wirkungsvoll
wäre und dadurch das Verstopfen der Gießwannendüsen verhindern würde, wäre dies
ein wertvoller Beitrag zur Verbesserung des Stands der Technik.
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US-A-4667939 offenbart eine Leitwand für eine Gießwanne, wobei die Leitwand eine
Stirn- und eine Rückseite und eine Vielzahl an Löchern besitzt, die die Stirn- und
Rückseite miteinander verbinden, um den Durchfluß der Stahlschmelze innerhalb einer
zum Stahlgießen dienenden Gießwanne zu steuern. Wie aus Fig.4 dieses Dokuments
ersichtlich, besitzt die Leitwand eine im wesentlichen ebene Stirn- und Rückseite, und
die Löcher nehmen einen Großteil der Oberfläche der Leitwand ein.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Leitwand der oben beschriebenen Art bereit, worin
die Stirnseite Vertiefungen oder Erhöhungen oder eine Kombination davon, getrennt
von der Vielzahl an Löchern, von ausreichender Größe und Anzahl aufweist, um die
Oberfläche der Stirnseite, auf der sie ausgebildet wurden, um zumindest 5 % zu
vergrößern.
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Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Entfernung von
Verunreinigungen aus Stahlschmelze nach Anspruch 4 bereit.
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Die Hauptfunktion der Leitwand ist die einer Durchflußsteuervorrichtung. Das Anhaften
der Aluminate an der Leitwand ist eine positive Nebenerscheinung. Ansonsten könnte
die Leitwand fälschlicherweise als Filter angesehen werden.
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Fig.1 ist eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen und in einer Gießwanne
angeordneten Gießwannenleitwand mit großer Oberfläche.
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Fig.2 ist eine Schnittansicht der Gießwannenleitwand entlang Linie 2-2 in Fig.1.
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Fig.3 ist eine Schnittansicht der Gießwannenleitwand entlang Linie 3-3 in Fig.2.
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Figuren 4, 5 und 6 zeigen unterschiedliche Formen aus Keramik und Konfigurationen
mit Kombinationen von Vertiefungen und Erhöhungen, die große Oberflächen liefern.
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In den Abbildungen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die erfindungsgemäße Leitwand 10 mit großer Oberfläche ist im allgemeinen eine
parallelepipedförmige Platte, die so hergestellt ist, daß sie an den Querschnitt einer
Gießwanne 20 angepaßt ist. Bei der Verwendung wird die Leitwand 10 etwa in der
Mitte der Länge der Gießwanne 20 positioniert. Eine Dichtung bildet sich im
allgemeinen zwischen den komplementär konturierten Leitwandkanten 11 und den
Gießwannenwänden 22. Dies ist auf den festen Preßsitz der Leitwand in den
Gießwannenwänden zurückzuführen. Sobald der Preßsitz hergestellt ist, wird die
Leitwand einzementiert. Wenn geschmolzenes Metall am Eintrittsabschnitt A in die
Gießwanne 20 gegossen wird, verhindert die Leitwand 10, daß die Metallschmelze
sofort die gesamte Gießwanne füllt. Die Metallschmelze muß stattdessen durch die
Leitwand 10 hindurch in den Austrittsabschnitt B fließen, bevor sie aus der Gießwanne
20 durch die Gießdüse 21a in Formen oder Ingots beispielsweise zum Stranggießen von
Stahlschmelze gegossen wird.
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Die Leitwand 10 besteht aus einem gebrannten Feuerfestmaterial. Diese Leitwand 10
wird im allgemeinen in einer Form gegossen. Eine bei etwa 2300ºF (1260ºC) gebrannte
keramische feuerfeste Probe aus Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid stellte sich als
vorteilhaft heraus. Die Leitwand 10 ist eine feste Platte mit einer Rückseite 10a, die
parallel zu einer Stirnfläche oder -seite 10b angeordnet ist. Zwei Reihen rechtwinklig
dazu verlaufender Löcher 12a, 12b befinden sich etwa in der Mitte der vertikalen Höhe
der Leitwand 10 und erstrecken sich durch die Platte hindurch. Die Löcher 12a, 12b
ermöglichen es der Metallschmelze im oberen Abschnitt der Gießwanne 20, durch die
Leitwand 10 zum Austrittsabschnitt B der Gießwanne zu gelangen. Das heißt, die
Metallschmelze unmittelbar unterhalb der Arbeitshöhe (im allgemeinen etwas unter der
Lippe der Gießwanne) kann an den neun im rechten Winkel angebrachten
Leitwandlöchern 12a, 12b durch die Leitwand 10 hindurchfließen. Dies erlaubt es der
Metallschmelze an der Oberseite der Gießwanne 20, eine im wesentlichen homogene
Temperatur zu erreichen, bevor sie zur Austrittsseite B gelangt.
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Die obere Reihe rechtwinkelig angebrachter Löcher 12a ist mit fünf Löchern quer durch
die Leitwand 10 hindurch ausgebildet. Die erste Reihe rechtwinkelig angeordneter
Löcher 12a ist etwa in der Mitte der Höhe der Leitwand positioniert. Es gibt vier Löcher
in der zweiten Reihe rechtwinkelig angebrachter Löcher 12b. Diese rechtwinkelig
angebrachten Löcher 12b sind vertikal etwa auf halbem Wege zwischen der vertikalen
Position jedes der Löcher in der ersten Reihe rechtwinkelig angebrachter Löcher 12a
positioniert. Dies sorgt für eine wirkungsvolle Abdeckung der gesamten Breite der
Gießwanne 20 ohne eine große Anzahl an Löchern 12a und 12b.
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Schräge Löcher 14a, 14b sind entlang eines unteren Abschnitts der Leitwand 10
ausgebildet. Die Stahlschmelze in der Nähe des Bodens der Gießwanne 20 gelangt vom
Aufnahmeabschnitt A in den Austrittsabschnitt B durch die schrägen Löcher 14a, 14b.
Die Löcher 14a, 14b sind mit ihren Längsachsen in Winkeln von etwa 45º schräg zur
horizontalen Basis der Gießwanne 20 ausgebildet (siehe Fig.3). Diese Schräge
maximiert den Fluß von einem Abschnitt der Gießwanne 20 zum nächsten, indem der
Stahl an den Außenrändern der Gießwanne zunächst zur Mitte "gedrängt" wird,
wodurch die Metallschmelze der Seiten der Gießwanne stagniert. Drei Löcher 14a sind
mit ihren Längsachsen in kleinen Winkeln (etwa 10º) von der Vertikalen zum
Mittelpunkt der Gießwanne 20 ausgerichtet, wie dies aus Fig.2 ersichtlich ist. Dies
ermöglicht den Fluß von den Seiten zur Mitte der Gießwanne 20. Die Mittellöcher in
der ersten Reihe der schrägen Löcher 14a sind ohne seitliche Schräge ausgebildet.
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Eine zweite und untere Reihe an schrägen Löchern 14b umfaßt zwei Löcher, die etwas
oberhalb des Bodens der Leitwand 10 angeordnet sind. Diese zwei schrägen Löcher 14b
sind so positioniert, um den Fluß weg von der Mitte der Gießwanne 20 zu lenken.
Somit sind die Löcher 14b der zweiten Reihe jeweils mit ihren Längsachsen in Winkeln
von etwa 30º schräg zur Vertikalen weg von der Mitte der Gießwanne ausgebildet
(siehe Fig.2). Alle schrägen Löcher 14a, 14b gelten derzeit als am wirkungsvollsten,
wenn sie einen Durchmesser von etwa 10 cm aufweisen.
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Die Anordnung der fünf schrägen Löcher 14a, 14b eliminiert im wesentlichen alle toten
Zonen in der Eintrittsseite A der Gießwanne 20. Darüber hinaus bewirken beide
Gruppen von Löchern 12a, 12b, 14a, 14b, daß das Metall eine relativ homogene
Temperatur behält. Die Metallschmelze bleibt zumeist über gleiche Zeiträume in der
Gießwanne 20, ungeachtet durch welches Trennwandloch sie durchfließt.
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Um die Stirnseite 10b mit einer großen Oberfläche auszubilden, die das gesamte
Aluminiumoxid und andere Verunreinigungen, die in der Stahlschmelze in der
Gießwanne 20 vorhanden sind, aufnehmen und zurückhalten kann, sind in der
Stirnseite mehrere grübchenartige Vertiefungen 24 ausgebildet. Diese Grübchen weisen
im Verhältnis zu den Leitwandlöchern relativ geringe Durchmesser auf. Typischerweise
besitzen sie im Verhältnis zu der in der Abbildung dargestellten Leitwand einen
Durchmesser im Bereich von 0,65 bis 1,95 cm (1/4 bis 3/4 Zoll).
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Wahlweise enthält die Gießwannenleitwand 10 auch poröse Medien 16. Es sind im
allgemeinen zwei Medien vorhanden, die auf etwa der gleichen Höhe und zwischen
den Reihen rechtwinkelig angebrachter Löcher 12a und 12b und den Reihen schräger
Löcher 14a, 14b positioniert und zentral in der Leitwand angeordnet sind. Gase können
durch eine Leitung 18, die sich von der Oberseite 10c der Leitwand 10 erstreckt, von
der Rückseite 10a der Leitwand 10 in die Metallschmelze eingeleitet werden. In der
bevorzugten Ausführungsform kommt Argon zum Einsatz. Die Leitung 18 ist mittels
einer Knieverbindung 21 an einer Druckgasleitung 19 befestigt. Das Einleiten von Gas
ermöglicht, daß die weniger dichten nicht-metallischen Einschlüsse sowie die in der
Metallschmelze eingeschlossenen Gase ans Obere der Metallschmelze steigen, um
durch die Schlacke absorbiert und durch Abschlacken der Metalloberfläche entfernt zu
werden. Das Ergebnis ist im allgemeinen ein reineres, duktileres und homogeneres
Gußstahl-Endprodukt.
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Während die Leitwand mit der mit Grübchen versehenen Stirnseite (siehe Figuren 1, 2
und 3) eine bevorzugte Ausführungsform darstellt, ist zu beachten, daß auch andere
Keramikformen mit anderen Konfigurationen in die Stahlschmelze eingebracht werden
können. Diese Formen mit großer Oberfläche können Vertiefungen oder erhabene
Ausbauchungen oder eine Kombination davon aufweisen. Sie können Zylinder, Kugeln,
Tafeln u.dgl. mit einer Vielzahl an Konfigurationen mit großer Oberfläche auf ihren
gesamten oder einem Teil ihrer Oberflächen sein. Typische Beispiele dafür sind die in
Figuren 4 bis 7 dargestellten Vorrichtungen.
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Fig.4 zeigt eine Keramiktafel 26, die eine Wabengestaltung 27 mit großer Oberfläche
auf ihrer Stirnseite aufweist.
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Fig.5 zeigt eine Keramikplatte 28 mit einer Reihe von Blasen oder Halbkugeln 29, die
um einen beträchtlichen Abschnitt ihrer Stirnseite zusammengeballt sind. Fig.6 zeigt
eine Keramikplatte 30 mit einer rautenförmigen Reihe an Ausbauchungen 31, die für
eine relativ große Oberfläche der Plattenfläche sorgen. Eine oder beide Seiten der
Keramikstrukturen in Figuren 4, 5 und 6 könnte(n) die gerade beschriebenen
Konfigurationen aufweisen.
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Die Keramikstrukturen mit großer Oberfläche sollten in einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung aus Keramikmaterialien bestehen, die mit
Aluminium- oder Magnesiumoxid benetzbar oder kompatibel sind. In einer bevorzugtesten
Ausführungsform bestehen die Keramikstrukturen aus Aluminiumoxid, obwohl sie auch
damit beschichtet oder überzogen sein oder aus anderen Keramikmaterialien bestehen
können, z.B. auf Basis von Titan, Zirkon u.dgl. Es ist für Fachleute auf dem Gebiet
offenkundig, daß die erfindungsgemäßen Keramikvorrichtungen nicht aus einem
Keramikmaterial bestehen sollten, das selbst für unerwünschte Einschlüsse in der
Metallschmelze sorgt, z.B. Silika.
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Die Anzahl, Art und Dimensionen der in den Keramikmaterialien mit großer Oberfläche
enthaltenen Vertiefungen oder Erhöhungen sollten solcherart sein, daß sie die
Oberfläche, an der sie ausgebildet wurden, gegenüber der ursprünglichen Oberfläche
um zumindest 5 % vergrößern. In einer bevorzugten Ausführungsform erhöhen sie die
Oberfläche um etwa 50 bis 250%.
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Eine Gießwannenleitwand, die der in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigten ähnelt, wurde
einem Praxistest unterzogen. Die Gießwanne wurde 18 Stunden lang betrieben, wobei
keinerlei Düsenverstopfung auftrat.
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Die Kontrolle der Leitwand nach dem Versuch zeigte, daß sich eine relativ dicke
Aluminiumoxid-Schicht in, auf und über den Grübchen gebildet hatte, wobei dies
anzeigt, daß eine beträchtliche Menge des im Stahl vorhandenen Aluminiumoxids
entfernt und durch die mit Grübchen versehene Stirnseite der Gießwannenleitwand
festgehalten worden war.