PROUDFOOT, Ian (120B Dumbarton Road, Bowling G60 5BB, GB)
LEE, Stephen (6 River View Crescent, Cardross G82 5LT, GB)
PROUDFOOT, Ian (120B Dumbarton Road, Bowling G60 5BB, GB)
| Element
Patentansprüche
1. Element aus mindestens einem feuerfesten keramischen Werkstoff, mit mindestens einem Kanal (18), der sich innerhalb des Elements (10) erstreckt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a. der Kanal (18) wird zumindest teilweise von mehreren diskreten Körpern (20) in Ring- oder Hülsenform gebildet, die in Längsrichtung des Kanals (18) hintereinander angeordnet sind, b. jeder Körper (20) besteht aus einem feuerfesten keramischen Material, das von dem umfangsseitig benachbarten feuerfesten keramischen Werkstoff des Elements unterschiedlich ist.
2. Element nach Anspruch 1 , bei dem zumindest einzelne, in Längsrichtung des Kanals (18) benachbarte Körper (20) sich gegenseitig berühren.
3. Element nach Anspruch 1 , bei dem mindestens ein Körper (20), in Längsrichtung des Kanals (18) betrachtet, eine Länge aufweist, die größer ist als ein maximaler Abstand zwischen zwei Punkten, die auf einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Kanals (18) und entlang einer Innenwand des Körpers (20) liegen.
4. Element nach Anspruch 1 , bei dem Körper (20) unterschiedlicher Länge, in Längsrichtung des Kanals (18), aneinander anschließen.
5. Element nach Anspruch 1 , bei dem mindestens ein Körper (20) außenseitig einen radial vorstehenden Abschnitt (20b, 23) aufweist.
6. Element nach Anspruch 1 , bei dem benachbarte Körper (20) gelenkig miteinander verbunden sind.
7. Element nach Anspruch 1 , bei dem mindestens ein Körper (20) zwischen seinen offenen Enden innenseitig einen gekrümmten Verlauf hat.
8. Element nach Anspruch 1 , bei dem mindestens zwei Körper (20) auf einem gemeinsamen Trägerelement (22) konfektioniert sind.
9. Element nach Anspruch 8, bei dem das Trägerelement (22) ein Element aus der Gruppe: Draht, Faden, Stift, Kette, Seil, Schnur ist.
10. Element nach Anspruch 1 , bei dem sich der Kanal (18) von einem ersten bis zu einem zweiten Oberflächenabschnitt des Elements (10) erstreckt.
1 1. Element nach Anspruch 1 , bei dem der Kanal (18) zumindest abschnittweise eine der folgenden Geometrien aufweist: Wendel, Mäander, Knoten, Spirale, Welle, Evolvente.
12. Element nach Anspruch 1 , bei dem mindestens ein Körper (20) aus einem der folgenden Materialien besteht: AI2O 3 , TiO 2 , MgO, Zrθ2, SiO 2 , CaO, oder Mischungen daraus.
13. Element nach Anspruch 1 , bei dem mindestens ein Körper (20) eine höhere Dichte als der den Körper (20) umgebende feuerfeste Werkstoff des Elements aufweist.
14. Element nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein Körper (20) ein gepresstes Teil mit einer gasundurchlässigen Wand ist.
15. Element nach Anspruch 1 , bei dem mindestens ein Körper (20) radial zur Längsrichtung des Kanals (18) geschlossen ist. |
FEUERFESTES ELEMENT MIT EINEM AUS DISKRETEN KOERPER GEBILDETEN KANAL
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft ein Element aus mindestens einem feuerfesten keramischen Werkstoff mit mindestens einem Kanal, der sich innerhalb des Elementes erstreckt.
Der Begriff „Element" umfasst diskrete Bauteile, wie Quader, Prismen, Kegel oder dergleichen, die beispielsweise durch Gießen, Extrudieren oder Pressen in Formen hergestellt werden, aber auch vor Ort erstellte Elemente wie Böden, Wände, Decken, Dämme.
Die Erfindung bezieht sich auf solche Elemente, in denen mindestens ein diskreter Kanal verläuft, durch den ein Behandlungsmedium, meist ein Gas, gegebenenfalls in Kombination mit Feststoffen, geführt werden kann.
Konkrete Beispiele für derartige Elemente sind Gasspülsteine, wie sie aus der EP 0 329 645 Al bekannt sind oder Stopfen, deren grundsätzlicher Aufbau in der EP 1 401 600 Bl beschrieben wird.
Soweit von „Kanal" gesprochen wird, handelt es sich um einen diskreten Kanal, der eine sogenannte gerichtete Porosität ausbildet, das heißt, das Gas, das entlang des Kanals geführt werden soll, soll möglichst exakt in Längsrichtung des Kanals geleitet werden und nicht seitlich diffundieren, wie dies beispielsweise bei Elementen mit sogenannter umgerichteter Porosität bekannt ist, die schwammartig aufgebaut sind und bei denen ein Behandlungsgas einen mehr oder weniger unkontrollierten Weg von einer Pore zur nächsten nimmt.
Der Stand der Technik und die Erfindung werden nachstehend anhand eines Gasspülsteins näher erläutert, ohne die Erfindung insoweit zu beschränken.
Zur Herstellung diskreter Kanäle in Gasspülsteinen sind unter anderem folgende Verfahren bekannt:
Ausbrennbare Fäden werden mit feuerfester Masse umgössen. Nach dem Ausbrennen des Fadens entsteht der gewünschte Gaskanal.
Ein Draht wird mit Masse umstampft. Der Draht wird anschließend ausgezogen, so dass an seiner Stelle ein Gaskanal gebildet wird.
Die vorgenannten und andere Verfahren haben sich grundsätzlich bewährt. Nachteilig ist jedoch, dass der Kanal im Betrieb verstopfen kann, insbesondere wenn sich umgebendes Feuerfestmaterial löst. Die grobkörnige Struktur des Feuerfestmaterials des Elementes ist insoweit
problematisch. Eine unkontrollierte Veränderung des Kanalquerschnitts, bis hin zu seiner Verstopfung, beeinträchtigt nicht nur die Funktionseigenschaften des zugehörigen Gasspülsteins (Elementes), sondern auch die damit verbundene sekundärmetallurgische Behandlung einer Metallschmelze.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, die Funktionssicherheit eines gattungsgemäßen Elementes mit mindestens einem Kanal zu verbessern und den Anwendungsbereich zugehöriger Elemente zu erweitern.
Zur Lösung dieser Aufgabe und Erzielung weiterer Vorteile liegen der Erfindung folgende überlegungen zugrunde:
Der Kanal, der üblicherweise eine innere Querschnittsfläche < 5mm 2 , oft < 3mm 2 , zum Teil auch < lmm 2 aufweist, soll nicht unmittelbar im beziehungsweise durch das Feuerfestmaterial des Elementes ausgebildet werden, sondern zumindest partiell durch ring- oder hülsenförmige Elemente, die eine separate Kanalwand ausbilden.
Die Verwendung eines keramischen Röhrchens zur Ausbildung eines Kanals ist zwar bekannt; diese Röhrchen stehen jedoch nur als gerade verlaufende Röhrchen zur Verfügung. Ein Gaskanal wird durch ein einziges Röhrchen gebildet. Aufgrund der geringen Querschnittsfläche und erheblichen Länge (bis zu 1 Meter) der benötigten Kanäle beziehungsweise zugehöriger Röhrchen, ergeben sich beim Einbau solcher Röhrchen
erhebliche Stabilitätsprobleme. Häufig zerbrechen die Röhrchen, sobald sie mit feuerfester Masse umgeben werden. Der gerade Verlauf der Röhrchen fördert überdies die Gefahr einer Infiltration von 'Metallschmelze bei der Anwendung.
Erfindungsgemäß wird der Kanal deshalb von mehreren, diskreten Körpern in Ring- oder Hülsenform gebildet, die in Längsrichtung des Kanals hintereinander angeordnet werden.
„Längsrichtung" des Kanals bedeutet dabei die überwiegende Strömungsrichtung eines durch den Kanal geführten Gases. Diese muss nicht zwangsläufig geradlinig sein; im Gegenteil: Wie nachstehend noch beschrieben wird werden häufig gekrümmte, mäanderförmig verlaufende oder andere spezielle Verläufe eines Gaskanals gewünscht.
Erfindungsgemäß lassen sich beliebige Verläufe des Kanals ausbilden, da die Kanalwand nicht einteilig ist, sondern aus einer Vielzahl einzelner Wandabschnitte (den Körpern) gebildet wird. Dabei können benachbarte Körper exakt koaxial zueinander angeordnet werden, aber auch in jeder beliebigen anderen Zuordnung. Auch die Form der Körper selbst kann entlang des Kanals ganz unterschiedlich sein, wie nachstehend noch beschrieben wird.
Erfindungsgemäß ist es nicht notwendig, dass der Kanal zwischen seinen Enden mit einer geschlossenen Wand ausgebildet wird; im Gegenteil: Durch die lose Aneinanderreihung von Körpern zur Ausbildung des Kanals
ergeben sich zwangsläufig Toleranzen und Abstände zwischen benachbarten Körpern, die erfindungsgemäß aber gewünscht werden, um eine individuelle Geometrie des Kanals ausbilden zu können.
Entscheidend ist, dass der Kanal wandseitig zu einem nicht unerheblichen Teil von den genannten Körpern begrenzt wird, die den Innenraum des Kanals vor dem Eindringen des umgebenden Feuerfestmaterials schützen, wenn ein zugehöriges Element (beispielsweise ein Gasspülstein) hergestellt wird.
Auch im späteren Betrieb schützen die Wandflächen des Körpers den Kanal vor einem unerwünschten Eindringen des feuerfesten keramischen Werkstoffes, aus dem das Element gebildet ist. Die erfindungsgemäße Gestaltung des Kanals erlaubt eine präzise Gasführung, einen konstanten Gasdruck und vermeidet Funktionsstörungen.
In ihrer allgemeinsten Ausführungsform umfasst die Erfindung danach ein Element aus mindestens einem feuerfesten keramischen Werkstoff, mit mindestens einem Kanal, der sich innerhalb des Elementes erstreckt, wobei der Kanal zumindest teilweise von mehreren diskreten Körpern in Ringoder Hülsenform gebildet wird, die in Längsrichtung des Kanals hintereinander angeordnet sind, und jeder Körper aus einem feuerfesten keramischen Material besteht, das von dem umfangsseitig benachbarten feuerfesten keramischen Werkstoff des Elementes unterschiedlich ist.
Zur Ausbildung eines mehr oder weniger durchgehenden Wandbereiches für den Kanal können zumindest einzelne, in Längsrichtung des Kanals benachbarte Körper sich gegenseitig berühren. Die Berührungsstellen können punkt-, linien- oder flächenförmig sein.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist mindestens ein Körper, in Längsrichtung des Kanals betrachtet, eine Länge auf, die größer ist als ein maximaler Abstand zwischen zwei Punkten, die auf einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Kanals und entlang der Innenwand des Körpers liegen. Mit anderen Worten: Solche Körper weisen die Form eines Rohrstücks beziehungsweise einer Hülse auf.
Um zu verhindern, dass sich einzelne Körper oder Gruppen von Körpern beispielsweise durch den entlang des Kanals geführten Gasstrom lösen sind Ausführungsformen günstig, bei denen die Körper außenseitig so gestaltet sind, dass sie einen Formschluss mit dem umgebenden Feuerfestmaterial ergeben. Dazu können radial von der Außenwand eines Körpers vorstehende Körperabschnitte dienen, beispielsweise in Form von Stiften, Ringen, Noppen, Ankern etc.
Dabei können sich Körper unterschiedlicher Länge, in Längsrichtung des Kanals, aneinander anschließen.
Die Geometrie jedes einzelnen Körpers ist grundsätzlich unerheblich. Entscheidend ist, dass benachbarte Körper einen gemeinsamen Kanal ausbilden sollen. Der Kanal muss nicht allseitig (umfangsseitig) durch die Körper geschlossen sein. Es können beispielsweise auch in Längsrichtung des Kanals geschlitzte Körper oder perforierte hülsenförmige Körper eingesetzt werden. Ein möglicher Innenquerschnitt der Körper ist ein Kreisquerschnitt, wie er beispielsweise in Figur Ia dargestellt ist. Der Innenquerschnitt kann aber ebenso schlitzartig (rechteckig) sein, wie in Figur Ib skizziert oder dreieckig gemäß Figur I c.
Benachbarte Körper können kraft-, aber auch formschlüssig miteinander verbunden sein; ebenso ist es möglich, benachbarte Körper gelenkig miteinander zu verbinden. Beispielsweise können kompressible/verformbare Dichtungsringe zwischen benachbarten ring-
oder hülsenförmigen Körpern angeordnet werden. Solche verformbaren Elemente können beispielsweise aus Graphit bestehen, der gleichzeitig feuerfest ist und auch bei der Anwendung des Elementes nicht ausbrennt.
Eine ähnlich wirkende Alternative sieht Körper vor, die an einem Ende nach Art eines Kugelsegments ausgebildet sind und am anderen Ende eine korrespondierende, kalottenförmige Aufnahme aufweisen, so dass entsprechende benachbarte Körper gelenkig ineinander eingreifen können. Dabei ist der Kanalabschnitt dieser Körper zumindest endseitig so vergrößert, dass auch bei Winkelverschiebungen benachbarter Körper ein kontinuierlicher Gasdurchlass gebildet wird.
Der einzelne Körper kann einen geradlinigen oder gekrümmten Kanalabschnitt definieren. Die äußere Form ist ohnehin beliebig.
Einzelne Körper oder Gruppen von Körpern können auf einem gemeinsamen Trägerelement konfektioniert werden. Dies gilt nicht nur für die Herstellung, sondern auch für die Anwendung.
Zur Herstellung können einzelne Körper beispielsweise auf einen Draht oder Faden „aufgefädelt" werden, wie dies durch eine strichpunktierte Linie in Figur 1 dargestellt ist.
Nachdem ein so aus Einzelelementen zusammengestellter Gaskanal in die gewünschte Form gebracht wurde, wird er mit Masse hinterfüllt (umgeben), wie dies grundsätzlich im Stand der Technik bekannt ist. Der Draht oder Faden kann anschließend (nach Fertigstellung des Elementes) wieder entnommen werden; er kann aber auch im Kanal verbleiben, so dass dann für den Gasdurchlass ein Ringkanal entsteht, zwischen dem Trägerelement und der Wand der ring- oder hülsenförmigen Körper.
Der Kanal kann sich von einem ersten bis zu einem zweiten Oberflächenabschnitt des Elementes erstrecken. Bei Gasspülsteinen ist es bekannt, unter oder im Element mindestens eine Gasverteilkammer auszubilden, von der aus die Gaskanäle verlaufen.
Aufgrund des aus einzelnen Körpern zusammengestellten Kanals lassen sich beliebige Kanalgeometrien erstellen. Hierzu gehören: S-Form, Wendel, Mäander, Knoten, Spirale, Welle, Evolvente.
Die Körper bestehen erfindungsgemäß aus einem feuerfesten keramischen Material. Geeignet sind hierzu beispielsweise: AI 2 O 3 , TiO 2 , MgO, ZrO 2 , SiO 2 , CaO oder Mischungen daraus.
Aufgrund der geringen inneren Querschnittsfläche und der üblicherweise auch geringen Wandstärke (üblicherweise < 3 , meist < 2, gegebenenfalls auch < l mm) werden die Körper aus feinteilig aufbereiteten Rohstoffen erstellt, und zwar am besten durch Pressen. Hierdurch erhalten die Körper eine hohe Dichte, die nach einer Ausführungsform höher ist als die Dichte des feuerfesten Werkstoffs des Elementes, welcher die Körper umgibt. Die einzelnen Wände des Körpers sind vorzugsweise gasdicht.
Die Verwendung feinteiliger Materialien für die Körper und Ausbildung der Körper mit hoher Dichte hat den weiteren Vorteil, dass eine sehr glatte Kanalwand ausgebildet werden kann, die vorteilhafte Strömungseigenschaften für ein hindurchgeführtes Gas schafft.
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 stark schematisierter Darstellung -
Figur 1 : Einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Element Figuren Ia-I c: Mögliche Querschnittsformen von Körpern zur
Ausbildung des Kanals im Element gemäß Figur 1 Figur 2: Einen Längsschnitt durch einen Gasspülstein
Figur 3: Einen Längsschnitt durch eine mögliche Kanalgeometrie
Figur 4: Einen Längsschnitt durch eine weitere Kanalgeometrie
In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bauteil mit gleichen Bezugsziffern dargestellt.
Dabei bezeichnet 10 in Figur 1 ein Element aus einem feuerfesten keramischen Werkstoff, welches umfangsseitig einen Blechmantel 12 aufweist, der sich über eine untere Stirnfläche 10u des feuerfesten Teils des Elementes 10 erstreckt und einen Boden 12b aufweist, in den ein Gaszuführrohr 14 einmündet, wobei zwischen der unteren Stirnfläche 10u und dem Boden 12b eine Gasverteilkammer 16 ausgebildet wird. Zwischen der Gasverteilkammer 16 (der unteren Stirnfläche 1Ou) und einer oberen Stirnfläche 10o des keramischen Teils des Elementes 10 erstreckt sich ein mit 18 bezeichneter Kanal.
Der Kanal 18 wird aus einer Vielzahl (hier: schematisch 10) hülsenartiger Körpern 20 gebildet, wobei benachbarte Körper 20 jeweils leicht versetzt zueinander verlaufen, so dass sich insgesamt eine leicht geschwungene Form für den Kanal 18 ergibt. Benachbarte Körper 20 liegen mindestens an einer Stelle gegeneinander an, wenngleich dies nicht unbedingt notwendig ist. Zwischen benachbarten Körpern 20 können verformbare Körper 21 , hier Dichtungsringe aus Graphit, angeordnet werden. Der 2. Körper von unten weist auf seiner Außenwand zwei radial abstehende Anker 23 auf, die im Feuerfestmaterial des Körpers 10 fest Hegen.
Es ist selbstverständlich, dass anstelle des dargestellten einen Kanals 18 eine Vielzahl von Kanälen den Körper 10 durchziehen können. Insoweit ist die Darstellung des Elementes 10 und des Kanals 18 auch nicht maßstäblich.
In Figur 1 ist strichpunktiert die Längsrichtung des Kanals 18 dargestellt wobei diese Linie (L-L) auch einen drahtförmigen Träger symbolisiert, der bei der Herstellung des Elementes dazu diente, die einzelnen Hülsen (Körper) 20 aufzunehmen und in die gewünschte Form zu bringen.
Die Figuren I a, I b und I c zeigen in der Aufsicht mögliche Querschnittsflächen der Körper 20, wie vorstehend beschrieben.
In Figur 2 ist ein kegelstumpfförmiger Gasspülstein dargestellt, wobei eine Gaszuführleitung 14 in eine Gasverteilkammer 16 mündet, die im Körper 10 ausgebildet ist. Beispielhaft sind hier 4 Kanäle 18 dargestellt, und zwar lediglich schematisch (ohne die einzelnen Körper 20). Der linke Kanal 18 ähnelt dem Kanal 18 in Figur 1. Der rechts daneben angeordnete Kanal ist mit einer Art „Knoten" ausgebildet, wodurch eine zusätzliche Durchbruchsicherung gegen eindringende Metallschmelze geschaffen wird.
Der zweite Kanal von rechts weist im unteren Teil eine doppelte, entgegengesetzte Krümmung auf, die ebenfalls die Funktion einer Durchbruchsicherung erfüllt. Der in der Figur rechts dargestellte Kanal ist seinem mittleren Abschnitt mäanderförmig gestaltet.
Die Ausbildung jedes Kanals 1 8 kann der gemäß Figur 1 oder der gemäß Figur 3 entsprechen, wobei die einzelnen Körper 20 gemäß Figur 3 unterschiedliche Formen aufweisen. Der unterste Körper entspricht im
Wesentlichen dem Körper 20 gemäß Figur 1. Darüber ist ein - in Längsrichtung des Kanals 18 - sehr viel kürzeres aber breiteres Teil mit annähernd trapezförmigem Querschnitt angeordnet, an das sich ein S- förmig geschwungener Körper anschließt, der wiederum von einem Körper 20 gefolgt wird, der sich von den Körpern gemäß Figur 1 dadurch unterscheidet, dass die zylinderförmige Außenwand 20a einen ringförmigen umlaufenden Flansch 20b aufweist, der eine Art Armierungsanker zur Fixierung des Körpers 20 in umgebendem Feuerfestmaterial bildet. Dadurch wird ein Lösen des Körpers in Längsrichtung des Kanals 18 verhindert. Diesem Zweck dient auch die Ausbildung des Körpers mit trapezförmigem Querschnitt und vergrößertem Außendurchmesser gegenüber benachbarten Körpern.
Jeder Körper ist wieder hülsen- beziehungsweise ringförmig gestaltet, so dass insgesamt ein durchgehender innerer Kanal 1 8, hier mit einer Doppel- S-Form ausgebildet wird. Zur Konfektionierung der einzelnen Körper 20 wurden diese nacheinander auf einen Nylonfaden 22 aufgefädelt, der sich durch den Kanal 18 erstreckt. Sobald ein zugehöriges feuerfestes keramisches Element erstellt wurde, kann der Nylonfaden 22 entnommen oder ausgebrannt werden.
Die Körper nach Figur 4 sind in ihrer Grundform ebenfalls hülsenartig, weisen j edoch an einem Ende einen Vorsprung 2Ov nach Art eines Kugelsegments und am anderen Ende eine korrespondierende kalottenartige Vertiefung 20g auf. Benachbarte Körper 20 können so winkelversetzt zueinander eingeordnet werden. Gleichzeitig ist der Kanal 18 jedes Körpers 20 mit größerem Querschnitt am Vorsprung 2Ov ausgebildet, so dass sich auch dann, wenn die Körper 20 nicht exakt fluchtend zueinander ausgerichtet sind, ein kontinuierlicher Kanal für die Gasführung ergibt.
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