B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft einen Tauchausguss, wie er zum Beispiel beim Stranggießen einer Metallschmelze verwendet wird.

Der EP 1 036 613 B l kann der grundsätzliche Aufbau eines solchen Tauchausgusses entnommen werden. Der Tauchausguss umfasst einen rohrförmigen Körper und einen Gießkanal, der sich von einem ersten Endabschnitt des rohrförmigen Körpers, bei dem eine Metallschmelze in den Gießkanal eintritt, bis zu einem zweiten Endabschnitt erstreckt, an dem die Metallschmelze den Gießkanal über mindestens eine Austrittsöffnung verlässt. Der Schrift ist zu entnehmen, dass auch Tauchausgüsse mit zwei diametral gegenüberliegenden seitlichen Austrittsöffnungen zum Stand der Technik gehören, so dass die Schmelze von einer zunächst rein vertikalen Strömungsrichtung in zwei Richtungen seitlich abgelenkt wird, bevor sie aus dem Tauchrohr austritt.

Bei gattungsgemäßen Tauchausgüssen ist es bekannt, ein Inertgas wie Argon der Metallschmelze zuzuführen, beispielsweise um ein so genanntes „clogging" zu verhindern, das heißt, zu verhindern, dass sich der Gießkanal durch Aufwachsungen in seinem Querschnitt verringert.

Nachteilig bei dieser Verfahrenstechnik ist, dass zum Teil Gasblasen erheblicher Größe entstehen und mit dem Schmelzestrom in das metallurgische Schmelzbad geführt werden. Solche Gasblasen können einen Durchmesser von mehreren Millimetern, teilweise aber auch Durchmesser im Zentimeterbereich aufweisen. Sobald die Schmelze aus dem Tauchrohr in das Schmelzbad des metallurgischen Gefäßes (zum Beispiel in eine Kokille einer Strangguss- Anlage) überführt wurde, steigen insbesondere große Gasblasen zwar im Schmelzbad auf, es ergeben sich dabei aber weitere Probleme:

- Es kommt zu Turbulenzen im Übergangsbereich zwischen Tauchrohr und Schmelzbad, die sich negativ auf den Verschleiß des Tauchrohrs auswirken,

- der Gießspiegel (die Oberfläche des Schmelzbades) kann schwanken, insbesondere im Grenzbereich zum Tauchrohr

- die Schlacke kann schäumen,

- aufsteigende Gasblasen können eine auf dem Schmelzbad aufliegende Schlackenschicht und/oder eine Gießpulver-Schicht aufbrechen. Dabei kann es zu einem unerwünschten Kontakt der Schmelze mit Umgebungsluft kommen. Auch kann Gießschlacke in die Schmelze eingezogen werden.

Zhang et. al. "Physical, Numerical and Industrial Investigation of Fluid Flow and Steel Cleanliness in the Continuous Casting MoId at Panzhihua Steel" beschreiben in AIS Tech 2004, Nashville (US), September 15-17, 2004, Association Iron Steel Technology, Warrendale, PA (US), 879-894 die Strömungsverhältnisse in Tauchrohren, wenn Gas injiziert wird. Bei bestimmten Betriebsbedingungen kommt zur Trennung von Gas und Schmelze. Dabei entstehen zum Teil sehr große Gasblasen, die das Tauchrohr verlassen und in die Schmelze eindringen. Die Erfindung möchte diese Nachteile vermeiden und einen Tauchausguss anbieten, der auch dann weitestgehend störungsfrei den Transport einer Metallschmelze in ein metallurgisches Schmelzgefäß erlaubt, wenn die Schmelze Gasblasen mitführt.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von folgender Überlegung aus:

Die beschriebene Ausbildung von Gasblasen, auch größeren Gasblasen, kann grundsätzlich nicht verhindert werden, im Gegenteil: Sie ist metallurgisch für bestimmte Anwendungen notwendig. Das erfindungsgemäße Konzept besteht darin, die vorhandenen Gasblasen möglichst unschädlich zu machen. Im Weiteren liegt der Erfindung die Überlegung zu Grunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die Gasblasen aus dem Schmelzestrom zu entfernen, bevor die Metallschmelze aus dem Tauchrohr in ein Schmelzbad eines metallurgischen Schmelzgefäßes geführt wird.

Dabei macht sich die Erfindung zu nutze, dass Gasblasen innerhalb einer Metallschmelze aufsteigen (aufschwimmen). Die Tendenz der Gasblasen, aufzusteigen, ist umso größer, je größer die Gasblasen sind und je geringer die Viskosität der Metallschmelze ist. Das heißt, dass insbesondere die unerwünschten großen Gasblasen mit einem Durchmesser » 1 mm leichter aus der Schmelze entfernt werden können als kleine Gasblasen.

Vor diesem Hintergrund besteht der konkrete Erfindungsgedanke darin, unmittelbar vor dem Verlassen der Schmelze aus dem Tauchrohr eine Kammer vorzusehen, in die derartige Gasblasen aufsteigen (entweichen) können. Die Kammer wirkt als Auffangbehälter oder Puffergefäß für die genannten Gasblasen, bevor diese in das Schmelzbad (in der Kokille) gelangen. Weitere Überlegungen der Erfindungen gehen dahin, dieses Gas/diese Gasblasen entweder wieder in den Schmelzestrom innerhalb des Tauchrohres zurückzuführen, und zwar so, dass bei der Einleitung der Gasblasen in den Schmelzestrom die Gasblasen zerkleinert und damit weitestgehend unschädlich gemacht werden, oder in einer alternativen Ausführungsform das Gas aus dem System, das heißt in die Umgebungsatmosphäre, abzuziehen.

In ihrer allgemeinsten Ausführungsform betrifft die Erfindung demnach einen Tauchausguss mit folgenden Merkmalen:

1.1 Einem rohrförmigen Körper,

1.2 einem Gießkanal, der sich von einem ersten Endabschnitt des rohrförmigen Körpers, bei dem eine Metallschmelze in den Gießkanal eintritt, bis zu einem zweiten Endabschnitt erstreckt, an dem die Metallschmelze den Gießkanal über mindestens eine Austrittsöffnung verlässt,

1.3 mindestens einer Kammer im Bereich des zweiten Endabschnitts, die in Strömungsrichtung der Metallschmelze hinter der jeweiligen Austrittsöffnung verläuft und sich in Richtung auf den ersten Endabschnitt erstreckt.

Dabei gehört ein Tauchausguss mit den Merkmalen 1.1 und 1.2 dem Stand der Technik an, der nun durch die konstruktive Gestaltung gemäß Merkmal 1.3 optimiert wird.

Bei einem Tauchausguss, wie er aus der eingangs genannten

EP 1 036 613 B l bekannt ist, verläuft die Schmelze im Gießkanal zunächst vertikal von oben nach unten, bevor sie geteilt und unter einem Winkel von circa 60° durch zwei diametral gegenüberliegende seitliche Austrittsöffnungen aus dem Tauchausguss weggeführt wird.

Die Erfindung sieht nun vor, am zweiten Endabschnitt des Tauchausgusses eine Kammer vorzusehen, die im strömungstechnischer Verbindung mit dem Gießkanal steht, so dass Gasblasen, die mit dem Schmelzestrom mitgeführt werden, aus dem Schmelzestrom in die Kammer aufsteigen können und so aus dem Teil der Schmelze entfernt werden, der in das metallurgische Schmelzgefäß beziehungsweise in dessen Schmelzbad einströmt.

Dabei steht im Vordergrund, insbesondere größere Gasblasen, das heißt Gasblasen mit einem Durchmesser von beispielsweise mehreren Millimetern (bis in den Zentimeterbereich), aus dem System wegzuführen, weil diese Gasblasen in besonderer Weise den Verfahrensprozess stören, wie oben ausgeführt.

Der Schmelzestrom als solcher und die Strömungsrichtung der Schmelze bleibt gegenüber dem Stand der Technik weitestgehend unverändert.

Die Kammer kann von einem Abschnitt des Gießkanals aus verlaufen, entlang dem die Metallschmelze unter einem Winkel > 0 und < 90° zur Axialrichtung des rohrförmigen Körpers strömt. Wenn es die Strömungsverhältnisse im metallurgischen Gefäß erlauben, kann der Winkel auch > 90° sein, wodurch die Tendenz der Gasblasen-Abscheidung verstärkt wird.

Bei dem genannten Beispiel wäre dies der Abschnitt, bei dem die Metallschmelze von der exakt vertikalen Strömungsrichtung seitlich zu den Austrittsöffnungen abgelenkt wird. Dabei kann sich die Kammer im Wesentlichen radial außen an den Gießkanal anschließen, so dass die Begrenzungswand des Gießkanals eine innere Wand der Kammer bildet.

Der Auffangraum für das Gas kann auch ringförmig um den Gießkanal herum verlaufen oder aus mehreren Kammern beabstandet zueinander bestehen.

Mit Bezug auf die Ausführungsform eines Tauchausgusses gemäß EP 1 036 613 B l werden vorzugsweise zwei Kammern vorgesehen, wobei jede Kammer einem von zwei Schmelzeströmen am auslassseitigen Ende zugeordnet ist.

Die Erfindung sieht im Weiteren vor, die Kammer im Abstand zum ersten Verbindungsbereich mit dem Gießkanal mit mindestens einem zweiten Verbindungsbereich (einer Öffnung) zum Gießkanal auszubilden, so dass die Kammer eine Art Bypass-Funktion erhält. Gasblasen, die am unteren Ende der Kammer (in Haupt-Strömungsrichtung der Schmelze betrachtet) nach oben in die Kammer aufgestiegen sind, können so am oberen Ende der Kammer, das ist das Ende der Kammer, welches dem ersten Endabschnitt des Gießkanals zugewandt ist, wieder in den Gießkanal und damit in den Schmelzestrom zurückgeführt werden. Dabei hat sich herausgestellt, dass bei der Rückführung der relativ großen Gasblasen in den Schmelzestrom es zu einer Zerkleinerung der Gasblasen auf ein weitestgehend unschädliches Maß kommt. Mit anderen Worten: Bei dieser Ausführungsform wird das Gas nicht aus dem System entfernt; die Gasblasen werden aber zerkleinert und zwar auf ein solches Maß, dass sie auch nach Eintritt in das Schmelzbad in das metallurgische Gefäßes nicht mehr die genannten Probleme bereiten. Vielmehr können dann die zerkleinerten Gasblasen langsam, ohne Turbulenzen und ohne Zerstörung von Schlacken- und Gießpulverschicht aufsteigen. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Kammer im Abstand von ihrem unteren Ende, also in Richtung auf den ersten Endabschnitt des Tauchausgusses versetzt, eine Öffnung aufweist, die bei einer ordnungsgemäßen Verwendung des Tauchausgusses eine Verbindung zur Umgebungsatmosphäre schafft.

Bei einem typischen Anwendungsfall, wie er in der EP 1 036 613 B l erläutert wird, bedeutet dies, dass die Öffnung oberhalb der Schlackenebene, beziehungsweise oberhalb einer Gießpulverebene angeordnet ist, in jedem Fall oberhalb der Schmelzebades, wenn der Tauchausguss sich in der Montageposition befindet. Bei dieser Ausführungsform wird das Gas also aus dem Bereich des Tauchausgusses in die Umgebungsatmosphäre weggeführt.

Der Gießkanal selbst und sein Verlauf insbesondere im zweiten Endabschnitt hin zu der Austrittsöffnung oder den Austrittsöffnungen kann gemäß Stand der Technik gestaltet sein. Es ist vorteilhaft, wenn der Gießkanal im zweiten Abschnitt so gestaltet ist, dass die Metallschmelze unter einem Winkel > 0 und < 90° zur Axialrichtung des rohrförmigen Körpers aus der Austrittsöffnung ausströmt, weil dies den Schmelzestrom beruhigt und die Gasblasen noch ausreichend nach oben aufsteigen können.

Der genannte Strömungswinkel kann nach einer weiteren Ausführungsform auf > 45° und < 75° eingeschränkt werden.

Der Tauchausguss lässt sich mit üblichen Verfahrenstechniken und unter Verwendung feuerfester Werkstoffe herstellen, beispielsweise als Gießoder Pressteil aus einem Versatz auf Basis einer Al ₂ O ₃ , TiO ₂ , ZrO ₂ , MgO, CaO etc.. Die Größe der Kammer hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Üblicherweise wird der Übergangsbereich (Öffnungsbereich) zwischen Gießkanal und Kammer eine Querschnittsfläche von 7 - 30 cm ² aufweisen und die Kammer insgesamt ein Volumen von beispielsweise 50 - 250 cm ³ , ausgehend von einem Tauchausguss mit einer Länge von 900 mm, einem Außendurchmesser von 120 mm, einem Durchmesser des Gießkanals von 70 mm und einer Querschnittsfläche der Austrittsöffnung/en von ca. 50 cm ² .

Soweit zu dieser Beschreibung und den Ansprüchen Richtungen angegeben sind beziehen sich diese auf eine Funktionsposition des Tauchausgusses bei bestimmungsgemäßer Anwendung.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei die Figuren 1 und 2 jeweils in schematisierter Darstellung ein auslaufseitiges (zweites) Ende eines erfindungsgemäßen Tauchausgusses zeigen, bei Figur 1 links, während rechts der Stand der Technik gegenübergestellt ist.

In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen angegeben.

Figur 1 zeigt einen Tauchausguss mit einem rohrförmigen Körper 10, einem Gießkanal 12, der sich im Wesentlichen konzentrisch zur axialen Mittenlängsachse L des rohrförmigen Körpers erstreckt, und zwar von einem ersten Endabschnitt 14 des rohrförmigen Körpers, bei dem eine Metallschmelze in den Gießkanal eintritt, bis zu einem zweiten Endabschnitt 16, an dem die Metallschmelze den Gießkanal 12 über zwei seitliche Austrittsöffnungen 18.1 , 18.2 verlässt.

Dazu ist der Gießkanal 12 im Bereich des zweiten Endabschnitts 16 so gestaltet, dass die Metallschmelze ihre ursprünglich rein vertikale Strömungsrichtung (Pfeil V) ändert und der Schmelzestrom in zwei Teilströme (Pfeile Tl , T2) übergeht, die zunächst unter einem Winkel α von circa 50° zur Strömungsrichtung V in Richtung auf die Austrittsöffnungen 18.1 , 18.2 verlaufen.

Diese Richtungsänderung wird unterstützt durch eine endseitige Stirnplatte 15 des Tauchausgusses mit entgegengesetzt geneigten Schrägflächen 15.1 , 15.2.. Dies alles ist Stand der Technik und im rechten Teil von Figur 1 dargestellt.

Mit dem Schmelzestrom werden Gasblasen, die sich zum Beispiel aus einer Inertgasbehandlung der Schmelze ergeben, mitgeführt, wobei diese Gasblasen eine unterschiedliche Größe aufweisen können. Schematisch wird dies im rechten Teil von Figur 1 durch die Pfeile A, B und C angedeutet, wobei C eine typische Strömungsrichtung großer Gasblasen, B eine typische Strömungsrichtung für Gasblasen mittlerer Größe und A die Richtung anzeigt, in der die kleinsten Gasblasen in das Schmelzbad S geführt werden. Mit anderen Worten: Während Gasblasen kleinerer und mittlerer Größe sich mehr oder weniger homogen im Schmelzbad S verteilen, steigen die größeren Gasblasen, das sind insbesondere solche mit einem Durchmesser von mehr als 1 mm, nach oben im Schmelzbad S auf und verursachen die vorstehend genannten metallurgischen Probleme. Beispielsweise können diese größeren Gasblasen eine auf dem Schmelzbad aufliegende Scblackenschicht 26 und/oder eine Gießpulver- Schicht aufbrechen, wie dies ebenfalls schematisch im rechten Teil von Figur 1 angedeutet ist. Von diesem Stand der Technik unterscheidet sich ein erfindungsgemäßer Tauchausguss durch die in Figur 1 links dargestellt Geometrie:

Das Tauchrohr ist an gegenüberliegenden Bereichen des unteren Endabschnitts 16 nach außen jeweils um eine Kammer 20 erweitert, die von einer oberen Wandfläche 20o, einer daran anschließenden, äußeren und seitlichen, parallel zum Körper 10 verlaufenden Wandfläche 20s und einem Teil des Körpers 10 begrenzt wird und nach unten (in Richtung auf die Stirnplatte 15) offen ist. Im oberen Bereich der Kammer 20, also benachbart der oberen Wand 20o, ist im Körper 10 eine Öffnung 21 angeordnet, die eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Innenraum des Körpers 10 (das ist der Gießkanal 12) und der Kammer 20 schafft.

Während der Schmelzestrom ähnlich wie im Stand der Technik am unteren Ende des Tauchausgusses bei 18.1 , 18.2 seitlich aus dem Tauchausguss herausgeführt wird, wobei feinste Gasblasen im Wesentlichen analog in Pfeilrichtung A und Gasblasen mittlerer Größe wie zuvor beschrieben in Pfeilrichtung B mitgeführt werden schafft die Kammer 20 die Möglichkeit, dass größere Gasblasen, die aufsteigen, nun nicht mehr im Schmelzbad S aufsteigen und eine Schlacken- oder Gießpulverschicht zerstören können, sondern in der Kammer 20 aufgefangen werden, wie durch den Pfeil C dargestellt. Diese großen Gasblasen gelangen im weiteren durch die Öffnung 21 in den Schmelzestrom im zweiten Endabschnitt 16 des Körpers 10 zurück, wo die Gasblasen durch den vorbeiströmenden Gießstrahl zerkleinert werden, wie schematisch durch kleinere Kreise im Bereich der Öffnung 21 angedeutet.

Diese jetzt zerkleinerten (kleineren) Gasblasen, beispielsweise Argon- Blasen, werden dann in Pfeilrichtung V wieder mit dem Schmelzestrom -l i ¬

mitgeführt und über die Austrittsöffnung 18.1 (und analog bei entsprechender Ausführung auf der anderen Seite über die Austrittsöffnung 18.2) in das Schmelzbad S des metallurgischen Gefäßes 24 eingeführt, und zwar entsprechend den Pfeilrichtungen A und B.

Die Ausführungsform nach Figur 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Figur 1 dadurch, dass anstelle der Öffnung(en) 21 zwischen der/den Kammer(n) 20 und Gießkanal 12 im oberen Wandabschnitt 2Oo der Kammern 20 Gasauslassöffnungen 23 angeordnet sind, durch die die Gasblasen in die Umgebungsatmosphäre U entweichen können, wie ebenfalls schematisch durch Kreise angedeutet.

Die Dimensionierung des Tauchausgusses gemäß Ausführungsform nach Figur 2 ist derart, dass die obere Begrenzungswand 2Oo jeder Kammer 20 oberhalb des Schmelzbades S beziehungsweise der entsprechenden Schlacken- oder Gießpulverschicht 26 verläuft, so dass die über die Gasauslassöffnungen 23 austretenden Gasblasen direkt in die Umgebungsatmosphäre entweichen können.

Ein erfindungsgemäßer Tauchausguss inkludiert folgende Merkmale:

- Die Ausbildung des Tauchausgusses als einstückiges Bauteil, das heißt, der rohrförmige Körper und die Kammer(n) sind materialschlüssig miteinander verbunden und können aus demselben feuerfesten keramischen Werkstoff bestehen.

- Der Gießkanalquerschnitt entspricht dem Innenquerschnitt des rohrförmigen Körpers. Bei einem rohrförmigen Körper in Form eines runden Zylinders (im Abschnitt zwischen erstem und zweitem Endab- schnitt) ist auch der Querschnitt des Schmelzestroms in diesem Abschnitt kreisförmig.

Im rohrförmigen Körper verlaufen regelmäßig keine weiteren Einbauten oder Einsätze.

Der Umlenkbereich für die Schmelze am auslaufseitigen zweiten Endabschnitt des rohrförmigen Körpers ist integraler Bestandteil des Tauchrohrs.

Das Kammervolumen und das innere Volumen des gesamten Tauchrohrs verändern sich im Gebrauch nicht (von Erosionserscheinungen abgesehen).

In der Regel ist das Tauchrohr so ausgeführt, dass die vertikal von oben nach unten fließende Schmelze am zweiten Endabschnitt in mindestens zwei zueinander beabstandete Teilströme aufgeteilt wird, denen jeweils eine Kammer zugeordnet ist, die in Strömungsrichtung der Schmelze betrachtet, jeweils vor dem Bereich liegt/liegen, an dem der Schmelzestrom oder ein Teil davon das Tauchrohr verlässt.