DE60201539T2

DE60201539T2 - Stopfenstange

Info

Publication number: DE60201539T2
Application number: DE60201539T
Authority: DE
Inventors: Mortimer Brendan MORIARTY; François-No[l RICHARD; Eric Hanse
Original assignee: Vesuvius Crucible Co
Current assignee: Vesuvius Crucible Co
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: AU2002315575B2; US20040145096A1; MXPA03011290A; RU2276630C2; CA2447439C; US6913730B2; EP1401599B1; KR100832379B1; BR0210148A; UA74892C2; WO2002100578A1; ATE278492T1; JP2004528183A; ES2225794T3; KR20030097912A; DE60201539D1; SK14812003A3; CA2447439A1; RU2003136619A; BR8203586Y1

Description

Diese Erfindung betrifft einen Stopfen, der als Teil eines Ventilmechanismus bei der Steuerung eines Stroms von geschmolzenem Material aus einem Behälter durch einen Tauchauslass verwendet wird. Spezieller betrifft sie feuerfeste Monoblockstopfen, d. h. einstückige Keramikstopfenstangen, wie sie gegenwärtig verwendet werden, um den Strom von geschmolzenem Metall zu steuern, das aus einer im Boden eines eine Schmelze enthaltenden Behälters, z. B. einer Pfanne oder Gießpfanne, austritt. Diese wird typischerweise beim Gießen von Stahl durch eine Öffnung im Boden der Gießpfanne durch Düsen und Umhüllungen in eine wassergekühlte Form verwendet.
Typischerweise bestehen solche Stopfen aus einem langgestreckten zylindrischen feuerfesten Keramikkörper aus isostatisch gepresstem Graphit/Aluminiumoxid, der am unteren Ende ein gerundetes oder verjüngtes Profil (die Stopfennase) aufweist, die zum Eingriff in den Hals einer entsprechenden Austrittsdüse geeignet ist, und am oberen Ende eine Form von Verbindungseinrichtung, um den Stopfen auf einem externen Hubmechanismus zu befestigen, mittels dessen der Strom gesteuert wird.
Die Betätigung des Stopfens ist im Prinzip einfach. Ein mechanisches Hubsystem wird benutzt, um die Stopfenstange aus einer Sitzstellung auf der Düse vertikal anzuheben, um das Volumen des durch die Düse fließenden geschmolzenen Metalls nachzulassen oder einzuschränken. In der Praxis muss eine solche Stopfenstange jedoch unter rauen Umgebungsbedingungen arbeiten, zum Beispiel über lange Zeiträume im geschmolzenen Metall untergetaucht sein, und muss imstande sein, die starken Wärmestöße auszuhalten, denen man bei den Gießvorgängen begegnet.
Die Kosten eines Stopfens entstehen im Wesentlichen aufgrund von Handarbeit und der Menge an Feuerfestmaterial. Es sind bereits Versuche unternommen worden, die Kosten zu verringern, indem man das Gewicht des Stopfens verringert. In einem solchen Fall muss man Vorsicht walten lassen, um einen Verlust an Festigkeit zu vermeiden. Die EP-A-625,391 offenbart einen kannelierten Stopfen, dessen äußere Oberfläche mit einer Reihe von axialen Rillen versehen ist. Die äußere Oberfläche des Stopfens weist einen wellenförmigen Umriss auf, umfassend abwechselnde Vorsprünge und Vertiefungen, um eine kannelierte Ausbildung zu liefern, von der es heißt, dass sie die Festigkeit eines normalen zylindrischen Stopfens bewahrt. Jedoch übersteigt die Zeit, die zum Entfernen des Stopfens aus seiner komplizierten Form benötigt wird, die Einsparung an Feuerfestmaterial bei weitem.
Es ist daher wünschenswert, einen Stopfen mit einer Ausbildung bereitzustellen, die es gestattet, ohne einen Verlust an Festigkeit weniger Feuerfestmaterial zu verwenden, während die Handarbeit so gering wie möglich gehalten wird. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen verbesserten Stopfen bereitzustellen, der diese Aufgaben erfüllt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein feuerfester Monoblockstopfen von im Wesentlichen zylindrischer Konfiguration bereitgestellt, der ein oberes Ende, ein unteres Ende und eine vom oberen Ende aus nach unten verlaufende axiale Bohrung aufweist, wobei in der axialen Bohrung in einem Abstand d vom oberen Ende eine Einrichtung zur Befestigung des Stopfens an einem Hubmechanismus vorgesehen ist (wobei d an der Mitte der Befestigungseinrichtung gelegen ist), wobei der Stopfen in drei Abschnitte (A, B, C) unterteilt ist, einen ersten Abschnitt (A), der sich vom oberen Ende aus bis zu einem Abstand größer als d in Richtung des unteren Endes erstreckt, einen zweiten Abschnitt (B), der sich vom ersten Abschnitt (A) aus in Richtung des unteren Endes erstreckt, sowie einen dritten Abschnitt (C), der sich vom zweiten Abschnitt (B) aus erstreckt und eine am unteren Ende des Stopfens endende Stopfennase umfasst. Der Stopfen der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Querschnitt des zweiten Abschnitts (B) kleiner ist als der Querschnitt des ersten Abschnitts (A) und der größte Querschnitt des dritten Abschnitts (C) größer ist als der kleinste Querschnitt des zweiten Abschnitts (B).
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Beobachtung, dass der am höchsten beanspruchte Punkt in einem Stopfen im Allgemeinen um die Einrichtung zur Befestigung des Stopfens an einem Hubmechanismus herum angeordnet ist (in einem Abstand vom oberen Ende, der im Allgemeinen größer ist als d). Im Gegensatz zu der auf dem Fachgebiet allgemein anerkannten Ansicht haben die jetzigen Erfinder erkannt, dass es nicht notwendig ist, entlang des ganzen Stopfens eine bedeutende Feuerfestmaterialdicke zu haben, um sicherzustellen, dass er die rauen Arbeitsbedingungen aushalten kann, denen er unterworfen ist. Daher haben sie die konventionelle Dicke an Feuerfestmaterial um die Einrichtung zur Befestigung des Stopfens an einem Hubmechanismus (erster Abschnitt) und um die Nase des Stopfens (dritter Abschnitt) herum beibehalten, die zum Eingriff in den Hals einer entsprechenden Austrittsdüse passend bleiben muss, während die Dicke an Feuerfestmaterial im dazwischenliegenden Abschnitt (zweiter Abschnitt) verringert wurde, wodurch das Gewicht des Stopfens ohne jeglichen zu beobachtenden Festigkeitsverlust signifikant verringert wurde.
Es wäre auch möglich, die Abmessung des dritten Abschnitts zu verringern, jedoch ist vorzugsweise der größte Querschnitt des dritten Abschnitts (C) größer als der mittlere Querschnitt des zweiten Abschnitts (B), so dass die Nase des Stopfens (dritter Abschnitt) zum Eingriff in den Hals einer entsprechenden konventionellen Austrittsdüse passend bleibt.
Vorteilhaft ist der erste Abschnitt A mindestens gleich 2 d.
Der Querschnitt des ersten Abschnitts A muss groß genug sein, um dem Stopfen um die Befestigungseinrichtung herum die erforderliche Festigkeit zu verleihen. Der Fachmann kennt von konventionellen Stopfen den Bereich von Querschnitten, die für diesen Zweck geeignet sind. Der Querschnitt dieses Abschnitts kann sich zum unteren Ende hin geringfügig verjüngen, jedoch ist er vorzugsweise im Wesentlichen konstant.
Vorzugsweise werden der erste und dritte Abschnitt so kurz wie möglich gehalten, um die Materialeinsparung zu vergrößern. Vorteilhaft wird der erste Abschnitt eine Länge von 4 bis 5 d nicht übersteigen, und der dritte Abschnitt wird auf die Stopfennase begrenzt sein.
Das Wesen der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, dass der zweite Abschnitt (B) in Bezug zum ersten (A) und dritten (C) Abschnitt von geringerer Dicke ist.
Die Verringerung der Dicke des zweiten Abschnitts kann durch ein im Wesentlichen konkaves Profil in vertikaler Seitenansicht verkörpert werden. Gemäß anderer Ausführungsformen weist der zweite Abschnitt (B) die Form eines Hyperboloids oder eines einfachen Konus auf.
Zum Zweck einer Vereinfachung der Herstellung und speziell zur Entformung umfasst der zweite Abschnitt (B) jedoch vorzugsweise einen ersten Unterabschnitt (B1), der sich vom ersten Abschnitt (A) aus nach unten erstreckt und einen stufenlos bzw. immer mehr abnehmenden Querschnitt aufweist, sowie einen zweiten Unterabschnitt (B2), der sich vom unteren Ende des ersten Unterabschnitts (B1) aus bis zum unteren Ende des zweiten Abschnitts (B) erstreckt und einen im Wesentlichem konstanten Querschnitt aufweist. Um die Materialeinsparung zu vergrößern, wird bevorzugt, dass im ersten Unterabschnitt (B1) der Querschnitt so schnell wie möglich abnimmt. Die Verjüngung sollte derart sein, dass die Beanspruchung in einem beliebigen Abschnitt nicht größer ist als in der Nähe der Befestigung; eine konventionelle Berechnung der Materialfestigkeit gestattet es, die Mindestquerschnitte zu bestimmen, die notwendig sind, um dieses Ergebnis zu erzielen.
Wie bei konventionellen Stopfen wohlbekannt ist, kann der erfindungsgemäße Stopfen mit einer Gasinjektionseinrichtung verwendet werden, so dass während der Gießvorgänge ein Gas, vorzugsweise ein Inertgas, in das geschmolzene Metall injiziert werden kann. In einem solchen Fall wird das Gas im Allgemeinen in die axiale Bohrung des Stopfens zugeführt, die das Gas zum unteren Ende leitet, wo es durch eine Bohrung oder ein poröses Material direkt in das geschmolzene Metall injiziert werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können alle Formen von Befestigungen bzw. Halterungen verwendet werden, wie ein miteingepresster metallischer oder keramischer Einsatz, und dergleichen.
Wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt ist, kann der Stopfen verschiedene Teile von unterschiedlicher Zusammensetzung einschließen (eine poröse oder erosionsbeständige Zusammensetzung für die Nase, eine schlackebeständige Zusammensetzung für eine Manschette an der Schlackenlinie, eine Zusammensetzung mit größerer Festigkeit oder Permeabilität um die Befestigung herum).
Die Nase des Stopfens der Erfindung kann eine beliebige Form aufweisen, die zum Eingriff in den Hals einer entsprechenden Austrittsdüse geeignet ist. Wahlweise kann sie mit einem schützenden Überzug beschichtet sein, wie zum Beispiel einer Glasur.
Der Stopfen gemäß dieser Erfindung kann gemäß konventioneller und wohlbekannter Verfahren zur Herstellung von feuerfesten Monoblockstopfen hergestellt werden, wie isostatisches Pressen in einer geeigneten Form und Entformung, wahlweise gefolgt von einem Schritt einer maschinellen Bearbeitung des entformten Körpers.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Ansicht eines Stopfens aus dem Stand der Technik ist, und
2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Stopfens ist.
Wendet man sich nunmehr den Figuren zu, so ist dort eine Stopfenstange (1) zur Verwendung bei der Steuerung eines Stroms von geschmolzenem Material aus einer Gießpfanne oder einem Behälter (nicht dargestellt) dargestellt. Die Stopfenstange (1) umfasst einen feuerfesten Körper mit einem oberen Ende (2), einem unteren Ende (3) und einer axialen Bohrung (4), die in ihrem unteren Bereich (8) einen verengten Abschnitt aufweist. Ein Inertgas, wie Argon, kann aus einer Gasversorgung durch die axiale Bohrung in den oberen Bereich der Stopfenstange zugeführt werden. Eine Einrichtung (5) zur Befestigung des Stopfens an einem Hubmechanismus (nicht dargestellt) ist in einem ersten Abschnitt A des Stopfens in der axialen Bohrung (4) in einem Abstand d vom oberen Ende (2) vorgesehen.
Der dritte Abschnitt C schließt die Nase (6) ein, die eine Injektionseinrichtung für das Inertgas umfasst. Das Gas kann direkt aus der axialen Bohrung injiziert werden, wie in 1 dargestellt, oder durch einen Teil 7 der Nase, wie in 2 dargestellt.
Bei dem Stopfen aus dem Stand der Technik (1) ist der zweite Abschnitt B im Wesentlichen zylindrisch und weist dieselbe Dicke wie der erste A und dritte Abschnitt C auf. Bei dem Stopfen der Erfindung, wie in 2 dargestellt, weist der zweite Abschnitt (B) eine geringere Dicke auf.
Insbesondere weist der Abschnitt B einen ersten Unterabschnitt B1 auf, der sich schnell bis zu einen verringerten Querschnitt verjüngt, sowie einen zweiten Unterabschnitt B2 von im Wesentlichen konstantem Querschnitt.
Der Stopfen aus 2 weist ein Gewicht auf, das 30% kleiner ist als das Gewicht des Stopfens aus 1, obwohl er eine äquivalente Festigkeit besitzt.

1: Stopfen
2: Oberes Ende
3: Unteres Ende
4: Axiale Bohrung
5: Befestigungseinrichtung
6: Stopfennase
7: Poröses Material
8: Axiale Bohrung in der Nase

Claims

Feuerfester Monoblockstopfen (1) von im Wesentlichen zylindrischer Konfiguration mit einem oberen Ende (2), einem unteren Ende (3) und einer axialen Bohrung (4), die sich vom oberen Ende (2) aus nach unten erstreckt, wobei in der axialen Bohrung (4) in einem Abstand d vom oberen Ende (2) eine Einrichtung (5) zur Befestigung des Stopfens an einem Hubmechanismus vorgesehen ist, wobei der Stopfen in drei Abschnitte (A, B, C) unterteilt ist, wobei sich ein erster Abschnitt (A) vom oberen Ende (2) aus bis zu einem Abstand größer als d in Richtung des unteren Endes (3) erstreckt, wobei sich ein zweiter Abschnitt (B) vom ersten Abschnitt (A) aus in Richtung des unteren Endes (3) erstreckt, und sich ein dritter Abschnitt (C) vom zweiten Abschnitt (B) aus erstreckt und eine am unteren Ende (2) des Stopfens endende Stopfennase (6) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Querschnitt des zweiten Abschnitts (B) kleiner ist als der Querschnitt des ersten Abschnitts (A), und dass der größte Querschnitt des dritten Abschnitts (C) größer ist als der kleinste Querschnitt des zweiten Abschnitts (B).
Stopfen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der größte Querschnitt des dritten Abschnitts (C) größer ist als der mittlere Querschnitt des zweiten Abschnitts (B).
Stopfen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Abschnitt (A) vom oberen Ende (2) aus bis zu einem Abstand mindestens gleich 2 d erstreckt.
Stopfen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des ersten Abschnitts (A) im Wesentlichen konstant ist oder sich nach unten zu sehr leicht verjüngt.
Stopfen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (B) im vertikalen Querschnitt ein im Wesentlichen konkaves Profil aufweist.
Stopfen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Abschnitt (B) vom ersten Abschnitt (A) aus in Richtung des dritten Abschnitts (C) immer mehr verjüngt.
Stopfen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (B) die allgemeine Form eines Hyperboloids aufweist.
Stopfen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (B) einen ersten Unterabschnitt (B1) umfasst, der sich vom ersten Abschnitt (A) aus nach unten zu erstreckt und einen immer mehr abnehmenden Querschnitt aufweist, und einen zweiten Unterabschnitt (B2), der sich vom unteren Ende des ersten Unterabschnitts (B1) aus bis zum unteren Ende des zweiten Abschnitts (B) erstreckt und einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist.
Stopfen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die axiale Bohrung (4) durch den ersten und zweiten Abschnitt (A, B) erstreckt.
Stopfen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stopfennase (6) eine Einrichtung (7, 8) zum Injizieren von Gas um das untere Ende (3) herum umfasst.
Stopfen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil (7) der Stopfennase (6) aus einem porösen Material besteht.
Stopfen nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Abschnitt (C) eine mit der axialen Bohrung (4) des ersten und zweiten Abschnitts (A, B) kommunizierende axiale Bohrung (8) umfasst.