Auslegung von Verteiler-Turbostops: Was CFD und Mikrostruktur über Sauerstoffkontrolle und Lebensdauer aussagen
Von Jack Xing, Technischer Vertriebsleiter, YK Chanshine · Veröffentlicht am 1. November 2026 · 15 Min. Lesezeit
Die technische Herausforderung: Wo Sauerstoff zwischen Pfanne und Kokille eindringt
Sauberer Stahl wird im Ofen erzeugt und in der Pfanne verfeinert. Der Verteiler kann diesen Stahl schützen oder ihn rückoxidieren. Jedes Stahlwerk, das Qualitätsstabstahl (SBQ), Reifencord, Wälzlagerstahl, kohlenstoffreichen Walzdraht oder Sauergas-Transportrohre gießt, überwacht den Gesamtsauerstoffgehalt (T.O.) bis in den einstelligen ppm-Bereich. Eine Pfannenschmelze, die mit 12 ppm Gesamtsauerstoff ankommt, kann den Verteiler mit 25 ppm verlassen, wenn der Stahlstrahl die Schlacke aufreißt, die Gießrohrhülse Luft ansaugt oder der Stahl gegen ein instabiles Feuerfestmaterial strömt.
Der Gesamtsauerstoff ist die Summe aus gelöstem Sauerstoff und dem in Oxideinschlüssen gebundenen Sauerstoff: Gesamter O = [O]gelöst + O in Einschlüssen. Der Gehalt an gelöstem Sauerstoff wird durch das Desoxidationsgleichgewicht (mit Aluminium, Silizium oder Mangan) bestimmt. Der Sauerstoff in den Einschlüssen ist der Wert, der mit dem Stahl in den Brammen gelangt.
Vier Eintrittsstellen für Sauerstoff im Verteiler
| Eintrittsstelle | Mechanismus | Typische ppm-Zunahme | Hilfreiche Verteilersteine |
|---|---|---|---|
| 1. Ansaugung von Luft im Stahlstrahl zwischen Pfanne und Verteiler | Lufteintritt in die Verbindung zwischen Ausgussdüse und Gießrohrhülse; gerissene Gießrohrhülse; mangelhafte Argonabdichtung | 5 bis 20 ppm | Argonversiegelte Gießrohrhülse, dichtende Verbindungsmanschette |
| 2. Offenes Auge in der Verteilerschlacke | Der aufsteigende Strahl drängt die Abdeckschlacke beiseite und setzt den flüssigen Stahl direkt der Luft aus | 8 bis 25 ppm | Turbostop / Turbulenzhemmer |
| 3. Reaktion zwischen Schlacke und Feuerfestmaterial | Gelöstes [Al] reduziert FeO und MnO in der Schlacke oder Kieselsäure in den Einbauten / der Arbeitsauskleidung | 2 bis 8 ppm | Einbauten mit niedrigem Kieselsäuregehalt, basisches Flussmittel, trockene MgO-Mischung |
| 4. Wirbelbildung und Schlackenmitnahme beim Ablassen | Ein Trichterwirbel zieht bei einem Pfannenwechsel oder beim Ablassen Abdeckschlacke in die Kokillendüse | 10 bis 40 ppm (Spitze) | Wirbelbremsen-Düsenblock, Mindestfüllstandsregel |
Beachten Sie, dass die Eintrittspunkte 2 und 4 direkt mit der Strömung im Verteiler zusammenhängen. Eine gut ausgelegte Kombination der Einbauten berücksichtigt beides. Wenn Sie nur die chemische Zusammensetzung der Steine betrachten und ignorieren, wie sich der Stahl bewegt, übersehen Sie die größte Sauerstoffquelle während des stationären Gießens.
Was CFD zeigt (und was es verbirgt)
Die numerische Strömungsmechanik (CFD) ist das Standardwerkzeug für die Auslegung von Verteilern. Jeder Lieferant nutzt sie, um ansprechende Farbkonturen zu zeigen. Käufer und Anlageningenieure müssen jedoch wissen, welche Kennzahlen wichtig sind und welche Annahmen unsicher sind.
Drei Kennzahlen, die Sie in jedem CFD-Bericht verlangen sollten
- Minimale Verweilzeit (t_min): Die Zeitspanne vom Eintritt des Stahls in den Verteiler bis zum Eintreffen des allerersten Tracers an einer beliebigen Kokillendüse. In einem unbeschichteten Verteiler kann t_min nur 15 bis 30 Sekunden betragen (Kurzschlussströmung). Ein richtig ausgelegter Turbostop + Wehr + Damm sollte t_min auf über 60 Sekunden erhöhen und bei vielen großen Verteilern auf über 120 Sekunden. Erreicht der Stahl die Kokille in 20 Sekunden, bleibt großen Einschlüssen (50 bis 100 μm) keine Zeit, zur Schlacke aufzusteigen.
- Totvolumenanteil (V_d): Der prozentuale Anteil des Verteiler-Volumens, in dem sich der Stahl langsamer als mit einer kritischen Geschwindigkeit bewegt (typischerweise < 0.005 m/s). Im Totvolumen kühlt der Stahl ab, bildet Krusten und verringert das effektive Volumen Ihres Verteilers. Eine gute Kombination der Einbauten senkt das Totvolumen von 30–40 % (unbeschichtet) auf 10–18 %.
- Maximale Oberflächengeschwindigkeit an der Schlackenlinie: Überschreitet die Oberflächengeschwindigkeit in der Nähe des Pfannengießrohrs etwa 0,15 bis 0,20 m/s, überwindet die Scherschubspannung des Stahls die Schlackenschicht und öffnet ein „Schlackenauge“. Sobald sich ein offenes Schlackenauge bildet, nimmt der Stahl Stickstoff und Sauerstoff aus der Atmosphäre mit Raten von bis zu 1 ppm [N] pro Minute auf. Ein Turbostop hält die Oberflächengeschwindigkeit nahe dem Strahl unter 0,10 m/s.
| Konfiguration | Minimale Verweilzeit (t_min) | Maximale Verweilzeit (t_peak) | Totvolumenanteil (V_d) | Gefahr eines Schlackenauges nahe dem Gießrohr |
|---|---|---|---|---|
| Unbeschichteter Verteiler (nur flaches Prallpolster) | 18 bis 35 Sekunden | 80 bis 140 Sekunden | 32 bis 45% | Hoch (häufig offene Schlackenfläche) |
| Nur Turbostop (ohne Überlaufwand oder Damm) | 40 bis 65 Sekunden | 150 bis 220 Sekunden | 20 bis 28% | Niedrig (eingeschränkte Energie) |
| Komplettsatz: Turbostop + Überlaufwand + Damm | 70 bis 130 Sekunden | 240 bis 360 Sekunden | 10 bis 18% | Sehr niedrig (ruhige Oberfläche im gesamten Bad) |
Strömungssteuerungsgeometrie: Turbostop, Damm, Überlaufwand und Düsensitzblock
Tundish-Strömungsregler sind keine Einzelteile, die man aus verschiedenen Katalogen kauft, sondern ein integriertes hydraulisches System. Wird ein Bauteil geändert, ohne die anderen anzupassen, verändert sich das Strömungsmuster.
Funktion und Konstruktionsparameter der einzelnen Bauteile
| Bauteil | Primäre hydraulische Funktion | Wichtige Maße, die in der Zeichnung zu prüfen sind | Hauptverschleißmechanismus |
|---|---|---|---|
| Turbostop (Turbulenzhemmer) | Baut die kinetische Energie des Pfannenstrahls ab; lenkt die Strömung nach innen; verhindert eine offene Schlackenfläche | Tiefe des Innenraums, Überhangwinkel der Lippe, Bodenstärke unter dem Strahl | Thermoschock beim ersten Befüllen, heiße Erosion im Auftreffzentrum, Korrosion der Lippe durch Schlacke |
| Überlaufwand (Leitwand mit Bodenabstand / obere Wand) | Lenkt den Stahl nach unten oder hält die Schlacke in der Gießkammer; verhindert einen Kurzschluss der Strömung über die Oberfläche | Eintauchtiefe, freier Querschnitt für die Unterströmung, Stärke für mechanische Festigkeit | Abtragung an der Schlackenlinie auf beiden Seiten, Biegespannung durch Schwankungen des Stahlstands |
| Damm (Bodenwand mit oder ohne Öffnungen) | Lenkt den Stahl nach oben in Richtung der Abdeckschlacke, sodass Einschlüsse aufgenommen werden können; beseitigt die Totzone am Boden | Höhe relativ zur Badtiefe (typischerweise 25–40 %), Lochwinkel bei gezackter/perforierter Ausführung | Erosion/Vergrößerung der Öffnung, thermische Durchbiegung, mechanische Stöße beim Entschlacken |
| Düsensitzblock / Ausgussblock | Positioniert die Innendüse oder Dosierdüse; verhindert Wirbelbildung während des Übergangs und beim Ablassen | Profil der Innenbohrung, Wirbelverhinderungsrippen/-leitschaufeln, oberer Fasenwinkel | Erosion an den Fugen, Thermoschock durch Sauerstofflanzen beim Öffnen der Düse |
Auswahl feuerfester Materialien: Mikrostruktur und Rohstoffe
Tundish-Bauteile sind extremen Betriebsbedingungen ausgesetzt: kaltes Vorwärmen (oft nur 800–1000°C), Thermoschock, wenn plötzlich Stahl mit 1550–1620°C auftrifft, Erosion durch turbulenten Flüssigstahl und korrosive Tundish-Schlacke mit SiO2, CaO, Al2O3, FeO und MnO.
Zusammensetzungsmatrix für vorgefertigte Einbauten im Verteilergefäß
| Eigenschaft / Spezifikation | Vorgefertigter Korund-Spinell (Hochleistungsbereich) | Hochtonerde, zementarm (Standardbetrieb) | Vorgefertigte Magnesia-Basis (Sondergüten für sauberen Stahl) |
|---|---|---|---|
| Hauptchemische Zusammensetzung | Al2O3 ≥ 88%, MgO 6–10%, SiO2 ≤ 1.0% | Al2O3 ≥ 78%, SiO2 ≤ 8.0%, Fe2O3 ≤ 1.2% | MgO ≥ 85%, CaO ≤ 3.5%, SiO2 ≤ 4.0% |
| Rohdichte (110°C x 24h) | ≥ 3.05 g/cm³ | ≥ 2.80 g/cm³ | ≥ 2.75 g/cm³ |
| Kalt-Druckfestigkeit (1450°C x 3h) | ≥ 90 MPa | ≥ 70 MPa | ≥ 55 MPa |
| Biegefestigkeit (1450°C x 3h) | ≥ 14 MPa | ≥ 10 MPa | ≥ 7 MPa |
| Thermoschockbeständigkeit (Abkühlung an Luft von 1100°C) | ≥ 20 Zyklen | 12 bis 16 Zyklen | 8 bis 12 Zyklen |
| Geeigneter Einsatzbereich | Lange Gießsequenzen (> 12 Schmelzen), SBQ, Wälzlagerstahl, Verteilergefäße mit hohem Erosionsrisiko | Betonstahl, Stabstahl, unlegierter Kohlenstoffstahl, kurze bis mittlere Gießsequenzen (< 8 Schmelzen) | Stähle mit extrem niedrigem Sauerstoffgehalt, Flussmittel mit hoher Basizität, Ca-behandelte Güten |
Technische Beschaffungscheckliste: Einkauf nach Kosten pro Tonne
Einbauten im Verteilergefäß machen weniger als 2% der Gesamtbetriebskosten der Stranggießanlage aus, doch ein Versagen kostet eine herabgestufte Schmelze oder einen Durchbruch an der Stranggießanlage. Die billigste vorgefertigte Form zu kaufen, ist der teuerste Fehler, den ein Einkaufsleiter machen kann.
Sechs technische Prüfschritte vor der Bestellung
| Schritt | Prüfpunkte | Technische Abnahmekriterien | Risiko bei Nichtbeachtung |
|---|---|---|---|
| 1. CFD-Verifizierung | Für Ihre tatsächliche Geometrie des Verteilergefäßes, Strangzahl und Gießgeschwindigkeit simuliert | t_min > 60s; Totvolumen < 20%; Oberflächengeschwindigkeit < 0.12 m/s | Öffnung des Schlackenauges, starke Reoxidation, Makroeinschlüsse im Strang |
| 2. Brenntemperatur | Prüfen, ob die Teile bei 350°C vorgebrannt oder bei > 1000°C gebrannt wurden | Zur Sicherheit gegen Hydratation bei ≥ 350°C vorgebrannt; für maximale Thermoschockfestigkeit gebrannt | Dampfexplosion oder explosionsartiges Abplatzen beim schnellen Vorwärmen mit Gas |
| 3. Herkunft der Rohstoffe | Tabulartonerde im Vergleich zu geschmolzenem braunem Korund; synthetischer Schmelzspinell im Vergleich zu in situ gebildetem Spinell | WFA-/Tabulartonerde-Matrix mit vorgesynthetisiertem Spinell für sauberen Stahl | Variable Verunreinigungen (SiO2, Fe2O3) verursachen vorzeitige Erosion an der Schlackenlinie |
| 4. Zugabe von Stahlfasern | Vorhandensein, Güte und Volumenanteil von Edelstahlfasern | 1.5–3.0 Gew.-% aus der Schmelze gewonnene Edelstahlfasern der Sorten 304/310 in der Prallfläche | Risse durch die gesamte Dicke beim ersten Aufprall des Strahls |
| 5. Maßtoleranzen | Ebenheit der Grundfläche, Lippenwinkel und Rechtwinkligkeit der Wände | ± 2 mm Ebenheit der Grundfläche; ± 3 mm Außenmaße | Zwischenräume zwischen trockenem Vibrationsmörtel und Turbostop führen zum Eindringen von Stahl |
| 6. Verpackung und Feuchtigkeit | Versiegelte Kunststofffolie, Trockenmittelbeutel, robuste Exportpalettierung | Vakuum-Stretchfolienverpackung, nach IPPC behandelter und wärmebehandelter Holzkisten | Die Hydratation von Zement und MgO während des Seetransports zerstört die Warmfestigkeit |
Häufig gestellte Fragen (FAQ): Verteiler-Turbostops und Sauerstoffkontrolle
Was ist ein Verteiler-Turbostop?
Ein Turbostop ist ein vorgefertigter Becher, der auf dem Boden des Verteilers unter dem Pfannenstrahl platziert wird. Er nimmt die Energie des fallenden Stahls im Becher auf und leitet den Stahl langsam über den Rand ab. Er wird auch Turbulenzinhibitor genannt.
Worin besteht der Unterschied zwischen einem Turbostop und einer flachen Prallplatte?
Eine flache Prallplatte ist eine Platte. Der Strahl breitet sich darauf aus und steigt an den Wänden hoch. Ein Turbostop hat einen Rand und schräge Wände, die den Strahl zunächst im Becher halten. In der Regel sorgt der Turbostop für eine geringere Oberflächenströmung in der Nähe des Tauchrohrs; Bechertiefe und Ausrichtung müssen jedoch zu Ihrem Strahl passen.
Wie hilft ein Turbostop, den Sauerstoffgehalt im Stahl zu kontrollieren?
Er verringert die Reoxidation, indem er die Oberflächenschlackenschicht rund um das Pfannentauchrohr geschlossen hält (kein offenes Schlackenauge). Außerdem sorgt er für einen ruhigeren Weg des Stahls zur Kokille, sodass Oxideinschlüsse mehr Zeit haben, zur Abdeckschlacke aufzusteigen.
Kann ein Turbostop allein Einschlüsse entfernen?
Nein. Ein Turbostop steuert die Strömung. Einschlüsse steigen nur dann auf, wenn der Verteiler ihnen genügend Zeit lässt (längere Verweilzeit), einen nach oben gerichteten Strömungsweg bietet und die Abdeckschlacke sie aufnehmen kann. Deshalb werden üblicherweise ein Wehrstopper und ein Damm zusammen mit dem Turbostop verwendet.
Brauche ich sowohl einen Damm als auch einen Wehrstopper?
Viele Werke verwenden beides. Der Wehrstopper hält die Schlacke zurück und zwingt den Stahl nach unten; der Damm lenkt ihn wieder zur Oberfläche, bevor er die Düse erreicht. In manchen Verteilern kommen nur ein Turbostop und ein Damm zum Einsatz. Eine CFD-Simulation zeigt die Unterschiede für Ihren Verteiler.
Was sollte ein CFD-Bericht zu einem Turbostop enthalten?
Achten Sie auf die Oberflächengeschwindigkeit rund um das Tauchrohr, die Verweilzeitverteilung (minimale und maximale Verweilzeit), den Totraumanteil sowie Angaben zur verwendeten Strömungsgeschwindigkeit und Badetiefe. Fragen Sie, ob die Auslegung anhand eines Wassermodells oder von Betriebsdaten überprüft wurde.
Reicht CFD aus oder brauche ich ein Wassermodell?
CFD ist das übliche Auslegungswerkzeug. Ein Modell im Maßstab 1:1 oder 1:3 mit Wasser ist nach wie vor die zuverlässigste Methode, um das Verhalten des Schlackenauges zu überprüfen, da sich Schlacke-Stahl-Luft-Grenzflächen nur schwer präzise berechnen lassen. Bei einer neuen Pfannengeometrie sind beide Methoden hilfreich.
Was ist die Verweilzeitverteilung und warum ist sie für Käufer wichtig?
Die RTD zeigt, wie lange der Stahl nach dem Eintritt im Verteiler verbleibt. Ein früher Spitzenwert bedeutet, dass ein Teil des Stahls einen kurzen Weg zum Auslass nimmt. Ein späterer, breiterer Spitzenwert bedeutet mehr Zeit für das Aufsteigen der Einschlüsse. Die Mindestverweilzeit ist der erste zu prüfende Wert.
Welches Material eignet sich für einen Turbostop: Aluminiumoxid, Spinell oder Magnesia?
Hochtonerdehaltiger Feuerbeton mit niedrigem Zementgehalt ist weit verbreitet. Feuerbeton aus Aluminiumoxid und Magnesia, der Spinell bildet, wird dort verwendet, wo Schlacke und Erosion stärker sind. Feuerbeton auf Magnesiabasis eignet sich für basische Schlacke und geringe Siliziumdioxidanforderungen. Die richtige Wahl hängt von Ihrer Stahlsorte und der Schlacke ab. Prüfen Sie daher das Datenblatt und fragen Sie nach einem Bericht über die Schnittfläche.
Warum verschleißt mein Prallpolster in der Mitte?
Der Strahl trifft dort auf. Häufige Ursachen sind ein außermittiges Prallpolster, ein hoher Strahl, ein dünner Boden im Becher oder eine zu offene Matrix. Prüfen Sie zuerst die Ausrichtung. Kontrollieren Sie anschließend Bechertiefe, Bodendicke und Materialdichte.
Wie viele Schmelzen sollte ein Turbostop halten?
Eine einzelne verlässliche Zahl gibt es nicht. Die Standzeit hängt von der Stahlsorte, der Schmelzengröße, der Strahlhöhe und der Vorgehensweise ab. Legen Sie das Ziel anhand Ihrer Sequenzlänge zuzüglich einer Sicherheitsmarge fest, erfassen Sie die Schmelzenzahl für jeden Satz und vergleichen Sie die Sätze anhand der Kosten pro gegossener Tonne.
Ist Siliziumdioxid in Verteilereinbauten bei aluminiumberuhigtem Stahl relevant?
Ja. Siliziumdioxid kann gelöstem Aluminium Sauerstoff zuführen und Aluminiumoxideinschlüsse bilden. Fragen Sie bei aluminiumberuhigten Stahlsorten nach einem niedrigen Siliziumdioxidgehalt in den Bereichen, die mit Stahl und Schlacke in Berührung kommen, und lassen Sie sich den SiO2-Wert im Datenblatt angeben.
Wie sollte ich einen vorgefertigten Turbostop trocknen und aufheizen?
Halten Sie sich an die schriftliche Trocknungskurve des Lieferanten. Halten Sie die Temperatur zunächst niedrig, damit das Wasser entweichen kann, und erhöhen Sie sie anschließend schrittweise. Zu schnelles Aufheizen ist eine häufige Ursache für Risse und Abplatzungen beim ersten Befüllen. Lagern Sie die Teile trocken und auf Paletten.
Können Sie einen Turbostop oder Damm nach meiner Zeichnung fertigen?
Ja. Senden Sie uns die Verteilerzeichnung, die Größe des Pfannenausgusses, die Strahlhöhe, die Gießgeschwindigkeit, die Stahlsorten und den aktuellen Satz mit seiner Standzeit in Schmelzen. Fotos gebrauchter Teile sind sehr hilfreich.
Wie berechne ich die Kosten pro Tonne für Verteilereinbauten?
Addieren Sie den Satzpreis, die Montagekosten und einen Betrag für das Ausfallrisiko. Teilen Sie die Summe durch die Anzahl der Schmelzen mal Tonnen pro Schmelze. Ein günstigerer Satz, der weniger Schmelzen hält, kann pro Tonne mehr kosten. Berücksichtigen Sie auch die Kosten einer herabgestuften Schmelze anhand Ihrer eigenen Aufzeichnungen.
Was muss ich für eine Konstruktionsprüfung oder ein Angebot senden?
Senden Sie uns die Verteilerzeichnung und das Fassungsvermögen, die Größe des Pfannenausgusses und die Strahlhöhe, die Gießgeschwindigkeit, die Stahlsorten und das Desoxidationsverfahren, den aktuellen Satz mit seiner Standzeit, Fotos verschlissener Teile sowie Ihre Zielwerte für Sauerstoffgehalt oder Reinheit.
Sprechen Sie mit uns über die Auskleidung Ihres Verteilers und die Optimierung der Strömung
Teilen Sie uns Ihre Verteilerzeichnung, Gießparameter, Stahlsorten und die aktuelle Standzeit der Einbauten mit. Wir erstellen innerhalb von 24 bis 48 Stunden eine fundierte technische CFD-Bewertung und ein Angebot.