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Dokumentenidentifikation DE102004056957B4 13.07.2006
Titel Metallurgisches Gefäß zum Transport und zur Behandlung schmelzflüssiger Metalle
Anmelder Mannesmannröhren-Werke AG, 45473 Mülheim, DE
Erfinder Gohres, Hans-Werner, 47239 Duisburg, DE;
Divjak, Franz-Josef, 47495 Rheinberg, DE;
Asmus, Norbert, 47198 Duisburg, DE
Vertreter Meissner & Meissner, 14199 Berlin
DE-Anmeldedatum 23.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004056957
Offenlegungstag 04.08.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.07.2006
IPC-Hauptklasse B22D 41/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein metallurgisches Gefäß zum Transport und zur Behandlung schmelzflüssiger Metalle, insbesondere Stahl, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein gattungsbildendes metallurgisches Gefäß ist aus der DE 18 284 87 U1 bekannt. Dieses Gefäß besteht aus einem Bodenelement mit Auflage, einem daran anschließenden rohrförmigen unteren Gefäßteil, einem rohrförmigen mittleren Gefäßteil verbunden mit einem Tragmittel, bestehend aus zwei einander gegenüber liegend angeordneten Tragzapfen, die sich auf je einem Zapfenschild abstützen, einem rohrförmigen oberen Gefäßteil und einem oberen Abschlusselement.

Die einzelnen Elemente und Gefäßteile sind durch Schweißnähte miteinander verbunden und das mittlere Gefäßteil weist eine dickere Wand im Vergleich zum unteren und oberen Gefäßteil auf.

Zur Nutzung als metallurgisches Gefäß sind das Bodenelement sowie die Gefäßteile innenseitig mit einer feuerfesten Auskleidung versehen.

Beim bekannten metallurgischen Gefäß sind alle drei Gefäßteile nach oben hin konisch sich erweiternd ausgebildet.

Die konische Ausbildung der Gefäßteile verteuert die Herstellung und erschwert die Anbringung der Zapfenschilde. Außerdem ist die Verwendung eines gewalzten T-Ringes mit eingeschweißtem ebenen Pfannenboden als Bodenelement spannungstechnisch gesehen ungünstig und erhöht die Gefahr des Reißens der Schweißnaht.

Aus der DE 202 16 841 U1 ist ein Gefäß für metallurgische Zwecke zum Transport von schmelzflüssigen Metallen bekannt mit einem eine hitzebeständige Auskleidung aufnehmendem Gefäßboden und einem damit verbundenen Gefäßmantel und einem Tragwerk.

Das Tragwerk weist mindestens zwei im Gefäßmantel integrierte Versteifungsringe und zwei einander gegenüber liegende im Gefäßmantel integrierte Zapfenschilder auf, an denen je ein Tragzapfen zur Aufnahme eines Gehänges angeordnet ist. Der Gefäßmantel setzt sich zusammen aus einem sich vom Gefäßboden bis zum unteren Versteifungsring erstreckenden Abschnitt und einem sich vom oberen Versteifungsring bis zum Rand erstreckenden Abschnitt.

Im Längsschnitt gesehen sind die Zapfenschilder und der das Tragwerk aufnehmende Abschnitt des Gefäßmantels zylindrisch und der vom Gefäßboden bis zum unteren Versteifungsring sich erstreckende Abschnitt des Gefäßmantels ist von unten nach oben sich konisch erweiternd ausgebildet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein metallurgisches Gefäß anzugeben, das für ein vorgegebenes maximales Füllvolumen eine große Steifigkeit sowie ein geringes Eigengewicht aufweist und kostengünstig in der Herstellung ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Nach der Lehre der Erfindung ist mindestens das mittlere Gefäßteil zylindrisch ausgebildet und das Verhältnis von Höhe zum mittleren Durchmesserdes Gefäßes liegt im Bereich von 1,0 bis 1,2.

Bei einem solchen Verhältnis wird für ein vorgegebenes Füllvolumen eine große Steifigkeit erreicht, wobei im Bereich geringer bis mittlerer Füllvolumina die größere Wanddicke des mittleren Gefäßteiles im Vergleich zur Wanddicke des unteren und oberen Gefäßteiles und bei größeren Füllvolumina die Anordnung mindestens eines Versteifungsringes den erforderlichen Beitrag zur Steifigkeit leisten.

Das vorgeschlagene metallurgische Gefäß ist gekennzeichnet durch eine Modulbauweise, bei der möglichst einfach herzustellende und standardisierbare einzelne Elemente durch Schweißen miteinander verbunden werden.

Eine solche Standardisierung ist möglich, wenn unter Beachtung der Überlagerung der durch Eigen- und Füllgewicht sich ergebenden Spannungen mit den Spannungen, die durch die Behinderung der durch die Erwärmung verursachten Ausdehnung sich ergeben sowie unter Berücksichtigung gegebener Randbedingungen, wie der maximal zulässigen Betriebstemperatur, dem eingesetzten Werkstoff, des notwendigen Durchfahrtsfreiraums, eine Optimierung hinsichtlich des größtmöglichen Füllvolumens, kleinstes Eigengewicht bei ertragbaren Spannungen für die einzelnen Elemente erfasst und daraus für verschiedene Füllvolumen eine Reihenkonstruktion ableitbar ist.

Dieser Konstruktionsansatz ermöglicht für verschiedene Füllgewichte unter Berücksichtigung des eingesetzten Werkstoffes für die Standardteile und der maximal zulässigen Betriebstemperatur ein optimales Gefäß auszulegen und bei einem Neubau das Stahlwerk im Hinblick auf Durchfahrtpassagen, Abstell- und Reparaturplätze sowie Krankapazität dem Gefäß anzupassen. Aber auch für bestehende Stahlwerke kann der neue Konstruktionsansatz genutzt werden, um unter Berücksichtigung der gegebenen Stahlwerksmaße ein optimal ausgelegtes Gefäß zu ermitteln.

Der neue Konstruktionsansatz erleichtert auch das Zulassungsverfahren, da die verwendeten Standardteile in Form einer Baumusterprüfung zugelassen sind und nur noch bestimmte kritische Stellen nachgerechnet werden müssen.

Bei einem Neubau wird man die zylindrische Ausbildung aller drei Gefäßteile anstreben, da in diesem Fall die Standardisierung am einfachsten ist. Aber je nach Gegebenheiten kann eine konische Ausbildung des unteren und/oder oberen Gefäßteiles zweckmäßig sein.

Mit steigenden Füllvolumen muss zur Erzielung einer ausreichenden Steifigkeit die Wanddicke weiter erhöht werden, was zur Erhöhung des Eigengewichtes führt. Unter Berücksichtigung einer festgelegten maximalen Krankapazität bedeutet dies eine Verringerung des möglichen Füllvolumens bzw. das Füllvolumen ist wegen des gegenläufig ansteigenden Eigengewichtes nicht mehr steigerbar. Deshalb wird vorgeschlagen ab dieser Grenze die Anordnung eines Versteifungsringes vorzusehen.

Als erste Maßnahme wird zwischen dem mittleren und dem oberen Gefäßteil ein Versteifungsring angeordnet. Sollte dies nicht ausreichend sein wird zusätzlich zwischen dem unteren und dem mittleren Gefäßteil ein Versteifungsring vorgesehen.

In bekannter Weise können die Versteifungsringe aufgesetzt oder im Gefäßmantel integriert sein. Dies gilt in gleicher Weise auch für die Anordnung des Zapfenschildes. Es ist außerdem bekannt, das Zapfenschild freizustellen oder nur auf einer Seite zu befestigen und die gegenüber liegende Seite zu führen.

Aus spannungstechnischen Gründen wird das Bodenelement als Kümpelteil ausgebildet mit einem ebenen Boden und einem mit einem Radius versehenen Übergang zum Mantel des unteren Gefäßteiles. Im Regelfall ist der ebene Boden unterhalb mit Bodenträgern abgestützt. Alternativ ist es auch möglich den Übergang als separaten gewalzten Ring herzustellen und mit dem ebenen Bodenblech und dem Mantel des unteren Gefäßteiles zu verschweißen.

Das obere Abschlusselement kann als Versteifungsring ausgebildet sein. Daran kann entweder ein Verschleißring oder ein Deckelaufsatz befestigt werden.

Für die Auslegung eines metallurgischen Gefäßes zum Transport und zur Behandlung schmelzflüssiger Metalle hat der Konstrukteur folgende Parameter zu berücksichtigen

  • – Füllvolumen bzw. Füllgewicht
  • – maximale zulässige Betriebstemperatur
  • – Streckgrenze des eingesetzten Werkstoffes für die Standardteile

Der neue Vorschlag zielt darauf ab, diese Parameter in eine Matrix zu schreiben und daraus die Wanddicke für die Standardteile abzuleiten.

Die für die Gefäßteile in Klammern gesetzten Wanddicken würden sich ergeben, wenn nach der konventionellen Methode gerechnet worden wäre. Größere Wanddicken bedeuten jedoch höheres Eigengewicht, dass aufgrund der zu berücksichtigen Krankapazität das nutzbare Füllgewicht mindert.

Bei Füllgewichten bis zu ca. 150 t würde man auf die Anordnung eines Versteifungsringes verzichten und als versteifendes Element die Wanddicke im mittleren Gefäßteil erhöhen, was im Regelfall eine Verdoppelung gegenüber der Wanddicke des unteren und oberen Gefäßteiles bedeuten würde. Bei größeren Füllgewichten werden zwei Versteifungsringe angeordnet, so dass die Wanddicke für alle drei Gefäßteile gleich bleiben kann. Das versteifende Element sind dann die beiden Versteifungsringe, die entweder auf den Gefäßmantel aufgesetzt oder in diesen integriert werden.

Wie schon anfangs erwähnt, wird die Grundsteifigkeit des Gefäßes durch das gewählte Verhältnis von Durchmesser zur Höhe im Bereich von 1,0 bis 1,2 gewährleistet.

Hinsichtlich der angegebenen Wanddicke für das Bodenelement ist anzumerken, dass diese stark von der Fußausbildung abhängt. Denkbar sind geringere Wanddicken bei anderer Fußgestaltung, was wiederum von der Wahl der Spüler- und Schieberelemente abhängt.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele.

Es zeigen:

1a eine Ansicht eines ersten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäß ausgebildeten Gefäßes,

1b eine Explosionsdarstellung,

2 ein zweites Ausführungsbeispiel,

3 ein drittes Ausführungsbeispiel,

4 eine spezielle Bodenausbildung,

5 ein viertes Ausführungsbeispiel

6 Diagramm der Abhängigkeit Wanddicke/Eigengewicht vom Füllvolumen.

In 1a ist in einer Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß hergestellten metallurgischen Gefäßes 1 dargestellt.

Es besteht aus einem Bodenelement 2 mit Bodenträgern 3, meistenteils in Form von Füßen. An das Bodenelement 2 schließt sich ein rohrförmiges unteres Gefäßteil 4, ein mittleres Gefäßteil 5 und ein oberes Gefäßteil 6 an.

Das mittlere Gefäßteil 5 ist mit einem Tragmittel verbunden bestehend aus zwei einander gegenüber liegend angeordneten Tragzapfen 7, 7', die sich je auf einem Zapfenschild 8, 8' abstützen. Den Abschluss des Gefäßes bildet ein oberes Abschlusselement 9.

Die einzelnen Elemente 2, 9 und Gefäßteile 4, 5, 6 sind durch hier nicht dargestellte Schweißnähte miteinander verbunden und das mittlere Gefäßteil 5 weist eine dickere Wand auf im Vergleich zum unteren 4 und oberen Gefäßteil 6. Das Verhältnis von der Höhe H des Gefäßes 1 zum mittleren Durchmesser Dm liegt im Bereich von 1,0 bis 1,2, so dass unabhängig von der gewählten Wanddicke eine optimale Grundsteifigkeit gegeben ist.

Nicht dargestellt ist die Auskleidung der Innenseite der Gefäßteile 4, 3, 6 und des Bodenelementes 2 mit Feuerfestmaterial, um das schmelzflüssige Metall aufnehmen zu können.

Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine zylindrische Ausbildung aller drei Gefäßteile 4, 5, 6. Das gleiche Gefäß 1 zeigt 1b als Explosionsdarstellung, um die Standardisierung der einzelnen Teile zu verdeutlichen. In dieser Darstellung kann man auch die dickere Wand des mittleren Gefäßteiles 5 im Vergleich zum unteren 4 und oberen Gefäßteil 6 erkennen. Im Unterschied zu 1a ist der Bodenträger 3 als Aufsetzring ausgebildet.

2 zeigt in einer gleichen Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen gewählt worden sind. Im Unterschied zur Ausführungsform in 1a ist das untere Gefäßteil 4.1 des Gefäßes 1' nach oben konisch sich erweiternd ausgebildet. Weiterhin ist zur Erhöhung der Steifigkeit zwischen dem mittleren 5 und dem oberen Gefäßteil 6 ein Versteifungsring 10 angeordnet.

Ein drittes Ausführungsbeispiel zeigt 3. Bei dieser Ausführungsform sind sowohl das untere 4.1 als auch das obere Gefäßteil 6.1 des Gefäßes 1'' nach oben hin sich konisch erweiternd ausgebildet. Für größere Füllvolumen wird zur Erhöhung der Steifigkeit zwischen dem unteren 4.1 und dem mittleren Gefäßteil 5 ein weiterer Versteifungsring 11 angeordnet.

4 zeigt im Schnitt eine andere Art der Ausbildung des Bodenelementes. Im Unterschied zur Darstellung in 1a ist das hier dargestellte Bodenelement kein einteiliges Kümpelteil sondern mehrteilig ausgebildet. Es besteht aus einem ebenen Bodenblech 12 und einem den Übergang bildenden gekrümmten Ring 13. Bodenblech 12 und Ring 13 sind durch eine Schweißnaht 14 miteinander verbunden.

Ein viertes Ausführungsbeispiel ist in 5 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die hier nicht sichtbaren Zapfenschilde im mittleren Gefäßmantel 5 integriert. Zur Verringerung des Auswurfes und des Wärmeverlustes ist das Gefäß 1''' mit einem konischen Aufsatz 15 versehen, dessen Öffnung mit einem Deckel 16 verschlossen werden kann.

6 zeigt in grafischer Form die Abhängigkeit der Wanddicke bzw. des Eigengewichtes vom Füllvolumen. Die strichpunktierte Linie 17 zeigt den steilen linearen Anstieg der Wanddicke und damit einhergehend des Eigengewichtes Die gestrichelte Linie 18 zeigt dagegen den Verlauf der Wanddicke bzw. des Eigengewichtes bei Anordnung von Versteifungsringen. Beide Linien 17, 18 schneiden sich im Punkt X.

Dem Konstrukteur wird mit dieser Darstellung und der in der Beschreibung beispielhaft dargestellten Matrix ein Hilfsmittel an die Hand gegeben, wie er schnell und einfach in Abhängigkeit vom gewünschten Füllvolumen bzw. Füllgewicht die wesentlichen Eckdaten des Gefäßes festlegen kann. Die Festlegung des mittleren Durchmessers ist bei Neuanlagen im Prinzip frei unter Beachtung eines optimierten Höhen- und Durchmesserverhältnisses, bei bestehenden Anlagen abhängig von den Lichtraummaßen, vom Gehängeabstand usw.

Der qualitativen Darstellung in 6 ist zu entnehmen, dass bei geringen, z. B. 50 t, bis mittleren, z. B. 200 t, Füllvolumen bzw. Füllgewichten das Eigengewicht im Wesentlichen von der linear ansteigenden Wanddicke bestimmt wird. Würde man dieses Prinzip über den Punkt X hinausgehend fortführen, würde man zu immer höheren Eigengewichten kommen, die unter Beachtung der meist festgelegten maximalen Krankapazität das Füllvolumen begrenzen würden. Folgt man dagegen ab dem Schnittpunkt X der gestrichelten Linie 18, dann steigt zwar das Eigengewicht mit steigendem Füllvolumen weiterhin noch an, aber mit einer wesentlich niedrigeren Zunahme. Dies wird durch die Anordnung von Versteifungsmitteln, hier in Form von Versteifungsringen, erreicht.

Bezugszeichenliste

Anspruch[de]
  1. Metallurgisches Gefäß zum Transport und zur Behandlung schmelzflüssiger Metalle, insbesondere Stahl, bestehend aus einem Bodenelement mit Bodenträger, einem daran anschließenden rohrförmigen unteren Gefäßteil, einem rohrförmigen mittleren Gefäßteil verbunden mit einem Tragmittel, bestehend aus zwei einander gegenüber liegend angeordneten Tragzapfen, die sich auf je einem Zapfenschild abstützen, einem rohrförmigen oberen Gefäßteil und einem oberen Abschlusselement, wobei die einzelnen Elemente und Gefäßteile durch Schweißnähte miteinander verbunden sind und das mittlere Gefäßteil mit einem versteifenden Element versehen ist und das Bodenelement eine dickere Wand aufweist als das anschließende untere Gefäßteil, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das mittlere Gefäßteil (5) zylindrisch ausgebildet ist und das Verhältnis von Höhe (H) zum mittleren Durchmesser (Dm) des Gefäßes (1) im Bereich von 1,0 bis 1,2 liegt und unter Beachtung der Überlagerung der durch Eigen- und Füllgewicht sich ergebenden Spannungen mit den Spannungen, die durch die Behinderung der durch die Erwärmung verursachten Ausdehnung sich ergeben, sowie unter Berücksichtigung gegebener Randbedingungen, wie maximal zulässiger Betriebstemperatur, eingesetzter Werkstoff, eine Optimierung hinsichtlich des größtmöglichen Füllvolumens bei kleinstem Eigengewicht und ertragbaren Spannungen für die einzelnen Elemente erfolgt und daraus für verschiedene Füllvolumen eine Reihenkonstruktion ableitbar ist, deren einzelne Elemente (2, 9) und Gefäßteile (4, 5, 6) standardisierbar und in Form einer Baumusterprüfung zugelassen sind und im Bereich geringer bis mittlerer Füllvolumina die größere Wanddicke des mittleren Gefäßteiles (5) im Vergleich zur Wanddicke des unteren (4) und oberen Gefäßteiles (6) und bei größeren Füllvolumina die Anordnung mindestens eines Versteifungs-ringes (10, 11) das versteifende Element sind.
  2. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass auch das untere (4) und obere Gefäßteil (6) zylindrisch ausgebildet sind.
  3. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das untere Gefäßteil (4.1) nach oben hin konisch sich erweiternd ausgebildet ist.
  4. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das obere Gefäßteil (6.1) nach oben hin konisch sich erweiternd ausgebildet ist.
  5. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das untere (4.1) als auch das obere Gefäßteil (6.1) nach oben hin konisch sich erweiternd ausgebildet sind.
  6. Metallurgisches Gefäß nach einem der Ansprüche 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mittleren (5) und dem oberen Gefäßteil (6) ein Versteifungsring (10) angeordnet ist.
  7. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zwischen dem unteren (4) und dem mittleren Gefäßteil (5) ein Versteifungsring (11) angeordnet ist.
  8. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsringe (10, 11) auf dem Gefäßmantel aufgesetzt sind.
  9. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsringe (10, 11) im Gefäßmantel integriert sind.
  10. Metallurgisches Gefäß nach einem der Ansprüche 1–9 dadurch gekennzeichnet, dass das Zapfenschild (8, 8') auf dem Gefäßmantel aufgesetzt ist.
  11. Metallurgisches Gefäß nach einem der Ansprüche 1–9 dadurch gekennzeichnet, dass das Zapfenschild (8, 8') in den Gefäßmantel integriert ist.
  12. Metallurgisches Gefäß nach einem der Ansprüche 1–9 dadurch gekennzeichnet, dass das Zapfenschild freigestellt ist.
  13. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Zapfenschild auf der oberen oder unteren Seite befestigt und auf der gegenüber liegenden Seite geführt ist.
  14. Metallurgisches Gefäß nach einem der Ansprüche 1–13 dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenelement (2) als Kümpelteil ausgebildet ist mit einem ebenen Boden und einem mit einem Radius versehenen Übergang zum Mantel des unteren Gefäßteiles (4), wobei der ebene Boden unterhalb mit Bodenträgern (3) abgestützt ist.
  15. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang als separater Ring (13) ausgebildet und mit dem ebenen Bodenblech (12) und dem Mantel des unteren Gefäßteiles (4) verschweißt ist.
  16. Metallurgisches Gefäß nach einem der Ansprüche 1–15 dadurch gekennzeichnet, dass das obere Abschlusselement (9) als Versteifungsring ausgebildet ist.
  17. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass am Versteifungsring ein Verschleißring befestigbar ist.
  18. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass am Versteifungsring ein Deckelaufsatz (15) anordenbar ist.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






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