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Die
Erfindung betrifft ein metallurgisches Gefäß zum Transport und zur Behandlung
schmelzflüssiger Metalle,
insbesondere Stahl, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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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.
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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.
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Zur
Nutzung als metallurgisches Gefäß sind das
Bodenelement sowie die Gefäßteile innenseitig
mit einer feuerfesten Auskleidung versehen.
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Beim
bekannten metallurgischen Gefäß sind alle
drei Gefäßteile nach
oben hin konisch sich erweiternd ausgebildet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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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.
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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.
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Das
vorgeschlagene metallurgische Gefäß ist gekennzeichnet durch
eine Modulbauweise, bei der möglichst
einfach herzustellende und standardisierbare einzelne Elemente durch
Schweißen
miteinander verbunden werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
obere Abschlusselement kann als Versteifungsring ausgebildet sein.
Daran kann entweder ein Verschleißring oder ein Deckelaufsatz
befestigt werden.
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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
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Der
neue Vorschlag zielt darauf ab, diese Parameter in eine Matrix zu
schreiben und daraus die Wanddicke für die Standardteile abzuleiten.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele.
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Es
zeigen:
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1a eine
Ansicht eines ersten Ausführungsbeispieles
eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Gefäßes,
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1b eine
Explosionsdarstellung,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel,
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel,
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4 eine
spezielle Bodenausbildung,
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5 ein
viertes Ausführungsbeispiel
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6 Diagramm
der Abhängigkeit
Wanddicke/Eigengewicht vom Füllvolumen.
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In 1a ist
in einer Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäß hergestellten
metallurgischen Gefäßes 1 dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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