СТОПОРНЫЙ СТЕРЖЕНЬ Российский патент 2004 года по МПК B22D41/18 

Изобретение имеет отношение к созданию нового стопорного стержня, предназначенного для регулирования поступающего от распределителя или разливочного ковша комплекта разливки потока расплавленного металла, например стали или литейного чугуна, а более конкретно, к созданию стопорного стержня, выполненного в виде одной детали и имеющего средство крепления к подъемному механизму. В соответствии с особым вариантом осуществления настоящего изобретения стопорный стержень также имеет средство для ввода инертного газа, такого как аргон, в ванну расплавленного металла в ходе операций непрерывной разливки.

Подобные стопорные стержни и их применение хорошо известны специалистам в данной области, в частности, из патентов США 4946083 и 5024422, которые включены в данное описание в качестве ссылки. Среди прочего в указанных патентах описан стопорный стержень, выполненный в виде одной детали и имеющий средство крепления к подъемному механизму, который содержит:
а) удлиненный корпус из огнеупорного материала, который имеет проточку, выполненную по оси корпуса стопорного стержня и приспособленную для приема с фиксацией металлического стержня, предназначенного для крепления к подъемному механизму. Осевая проточка в корпусе из огнеупорного материала имеет расширенный участок с кольцевой поверхностью уплотнения, удаленной от верхнего конца корпуса из огнеупорного материала. Средство для крепления металлического стержня главным образом расположено между расширенным участком и нижним концом корпуса из огнеупорного материала. У своего нижнего конца корпус из огнеупорного материала может иметь средство для ввода газа в ванну расплавленного металла; и
b) удлиненный металлический стержень, прикрепленный к корпусу из огнеупорного материала и имеющий осевую проточку, которая сообщается в своей нижней части с проточкой корпуса из огнеупорного материала. Этот стержень имеет шейку с кольцевой поверхностью уплотнения, обращенной к кольцевой поверхности уплотнения проточки корпуса из огнеупорного материала, для создания газонепроницаемого уплотнения. Верхний конец стержня выполнен с возможностью крепления к подъемному механизму, который позволяет производить перемещение стопорного стержня вертикально внутри компонента комплекта разливки, такого как распределитель. Средство крепления к корпусу из огнеупорного материала главным образом расположено между шейкой и нижним концом металлического стержня.

Стопорный стержень может быть соединен с трубопроводом для подвода газа, обычно (но не обязательно) через свой верхний конец. При использовании такого стопорного стержня поступающий в стопорный стержень газ направляется к осевой проточке корпуса из огнеупорного материала, расположенной в его нижней части. Благодаря наличию средства для введения газа в ванну расплавленного металла, которое имеется в нижней части корпуса из огнеупорного материала, стопорный стержень позволяет производить ввод газа в ванну расплавленного металла. Обращенные друг к другу кольцевые поверхности уплотнения на стержне и на корпусе из огнеупорного материала предотвращают существенные потери инертного газа, а также инфильтрацию (просачивание) воздуха. Для еще большего повышения газонепроницаемости уже было предложено вводить газонепроницаемую кольцевую прокладку между указанными поверхностями уплотнения. Например, в патенте США 4946083 указано, что при введении в промежуток между кольцевыми поверхностями уплотнения, имеющимися на стержне и на корпусе из огнеупорного материала, прокладки толщиной около 0,4 мм из термостойкого материала, например из графита, достигают степени герметичности, выдерживающей приложение давления до 3 бар.

Наличие указанного уплотнения является важным фактором при проведении разливки расплавленного металла высокого качества. Прежде всего необходимо обеспечить хорошую защиту от инфильтрации воздуха, который окисляет расплавленный металл при проведении разливки. С другой стороны, необходимо также свести к минимуму потери инертного газа (в том случае, если инертный газ вводят через стопорный стержень), которые повышают стоимость производства настолько, что этим нельзя пренебречь. Отметим, что известные в настоящее время системы не позволяют полностью решить эти две указанные проблемы.

При проведении исследований в данной области Заявитель настоящего изобретения обнаружил, что указанные проблемы вызваны тем, что по различным причинам (отвинчивание стержня, расширение материала стержня и т.п) уплотнение между обращенными друг к другу кольцевыми поверхностями уплотнения стержня и корпуса из огнеупорного материала может терять герметичность, причем Заявитель обнаружил, что герметичность стопорного стержня может быть повышена за счет использования огнеупорного материала особого типа. В соответствии с настоящим изобретением предлагается использовать стопорный стержень в виде одной детали с корпусом из огнеупорного материала, причем огнеупорный материал по меньшей мере частично является относительно газонепроницаемым.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предлагается стопорный стержень в виде одной детали, имеющий средство крепления к подъемному механизму, который содержит:
а) удлиненный корпус из огнеупорного материала, который имеет
(i) проточку, выполненную по оси корпуса стопорного стержня и приспособленную для приема с фиксацией металлического стержня, предназначенного для крепления к подъемному механизму, причем указанная осевая проточка корпуса из огнеупорного материала имеет расширенный участок с кольцевой поверхностью уплотнения, удаленной от верхнего конца корпуса из огнеупорного материала;
(ii) средство для крепления металлического стержня;
причем удлиненный металлический стержень прикреплен к корпусу из огнеупорного материала, при этом верхний конец металлического стержня выполнен с возможностью крепления к подъемному механизму, который позволяет производить вертикальное перемещение стопорного стержня внутри комплекта разливки;
отличающийся тем, что указанный корпус из огнеупорного материала выполнен по меньшей мере частично из огнеупорного относительно газонепроницаемого материала.

В соответствии с особым вариантом осуществления настоящего изобретения стопорный стержень может быть соединен с трубопроводом для подвода газа. При этом в нижней части удлиненного корпуса из огнеупорного материала имеется средство для ввода газа в ванну расплавленного металла, а металлический стержень имеет осевую проточку, которая в своей нижней части сообщается с проточкой корпуса из огнеупорного материала.

Под относительно газонепроницаемым материалом понимают материал, который имеет относительную проницаемость (выраженную в м²) в области рабочих температур стопорного стержня, меньшую, чем у обычно используемых материалов. Преимущественно относительная проницаемость в области рабочих температур стопорного стержня, изготовленного из относительно газонепроницаемого огнеупорного материала, составляет менее половины относительной проницаемости для обычно используемых материалов. Обычно используемые материалы, как правило, имеют относительную проницаемость от 5•10^-17 до 5•10^-16 м². Относительно газонепроницаемые материалы, которые преимущественно используют в соответствии с настоящим изобретением, имеют относительную проницаемость менее 5•10^-17 м².

Подходящие относительно газонепроницаемые огнеупорные материалы выбирают среди смесей, в которые введены добавки, способные снижать средний диаметр пор. Такие добавки хорошо известны специалистам в данной области. Например, в композиции огнеупорного материала могут быть введены флюсы, такие как щелочи (Nа₂О, К₂О, СaО, В₂О₃,...), диоксид кремния и пр. В эти композиции также могут быть введены металлические элементы (металлы), которые при высоких температурах образуют карбиды. Возможно также производить ограничение среднего диаметра пор за счет введения порошковой композиции, размер частиц которой позволяет снизить средний диаметр пор. Понятно, что может быть использован один из указанных методов или комбинация двух или нескольких из указанных методов. Флюсы преимущественно вводят в композицию огнеупорного материала.

Заявитель обнаружил, что совсем непросто получить огнеупорный материал, обеспечивающий хороший компромисс между свойствами непроницаемости и стойкости к коррозии за счет расплавленной стали. В связи с этим в соответствии с особым вариантом осуществления настоящего изобретения корпус из огнеупорного материала изготовлен по меньшей мере из двух различных огнеупорных материалов, причем участок корпуса, главным образом охватывающий область, в которой установлена уплотнительная прокладка, изготовлен из относительно газонепроницаемой смеси, в то время как остальная часть корпуса изготовлена из огнеупорного материала, стойкого к создаваемой расплавленными металлами коррозии. В соответствии с этим вариантом настоящего изобретения часть корпуса, которая находится в контакте с расплавленным металлом, преимущественно изготовлена из огнеупорного материала, стойкого к коррозии, в то время как участок корпуса, главным образом охватывающий область, в которой установлена уплотнительная прокладка, и изготовленный из относительно газонепроницаемой смеси, не находится в контакте с расплавленным металлом.

В этом случае под относительно газонепроницаемым материалом понимают материал, относительная проницаемость которого в зоне рабочих температур стопорного стержня меньше, чем относительная проницаемость материала или материалов, стойких к коррозии. Преимущественно относительная проницаемость, в зоне рабочих температур стопорного стержня, относительно газонепроницаемого материала, из которого изготовлен стопорный стержень, составляет менее половины относительной проницаемости коррозионно-стойкого материала.

Обычные коррозионно-стойкие материалы имеют относительную проницаемость от 5•10^-17 до 5•10^-16 м². Относительно газонепроницаемые материалы, которые преимущественно используют в соответствии с настоящим изобретением, имеют относительную проницаемость менее 5•10^-17 м².

Корпус из огнеупорного материала в соответствии с настоящим изобретением может быть изготовлен при помощи одной из обычных хорошо известных специалистам технологий; в частности, этот корпус из огнеупорного материала может быть изготовлен при помощи холодного или горячего прессования или даже при помощи изостатического прессования. Для упрощения процесса изготовления, в том случае, когда корпус из огнеупорного материала содержит различные огнеупорные материалы, преимущественно заранее производят прессование по меньшей мере одной из деталей, и, как правило, наименее доступной детали. Как правило, преимущественно заранее производят прессование той части корпуса из огнеупорного материала, которая охватывает область, в которой до этого была установлена уплотнительная прокладка.

Отметим, что стопорный стержень в соответствии с настоящим изобретением аналогичен стопорному стержню, описанному в патентах США 4946083 и 5024422. В качестве варианта может быть использован стопорный стержень, который снабжен также средством для поддержания сжатия уплотнительной прокладки, находящейся в контакте с кольцевыми поверхностями уплотнения корпуса из огнеупорного материала, описанный в заявке 9800838.

На фиг. 1 и 2 фрагментарно показано поперечное сечение верхнего конца стопорного стержня, выполненного в соответствии с указанными вариантами настоящего изобретения. Стопорный стержень 1 имеет удлиненный корпус из огнеупорного материала 2 с осевой проточкой 3, идущей от его верхнего конца 4 к нижнему концу (не показан). Корпус из огнеупорного материала имеет средство для ввода инертного газа (не показано) в ванну расплавленного металла. Корпус из огнеупорного материала также имеет средство 5 для крепления металлического стержня 6. Металлический стержень 6 также имеет сквозную осевую проточку 7, которая проходит от его верхнего конца 8 до нижнего конца 9. На верхнем конце 8 может быть предусмотрено соединение (не показано) для подключения трубопровода для подвода инертного газа. Более того, верхний конец 8 стержня приспособлен для крепления к подъемному механизму (не показан). Газ под давлением, такой как аргон, может быть введен в осевую проточку 3 корпуса из огнеупорного материала при помощи стержня 6 (через его проточку 7) и направлен в ванну расплавленного металла через нижний конец корпуса из огнеупорного материала.

Корпус из огнеупорного материала 2 имеет расширенный участок 10, который образует поверхность уплотнения. Две графитовые прокладки (11 и 11') прилегают к этой поверхности уплотнения и за счет этого предотвращают инфильтрацию (просачивание) воздуха или потери инертного газа.

Корпус из огнеупорного материала 2 изготовлен из двух различных огнеупорных материалов. Он содержит первый участок корпуса 16, главным образом охватывающий область, в которой установлены уплотнительные прокладки 11 (и 11'), который изготовлен из относительно газонепроницаемой смеси, а также второй участок корпуса 17, который изготовлен из огнеупорного материала, стойкого к создаваемой расплавленными металлами коррозии.

На фиг.1 показан металлический стержень 6, который имеет кольцевой выступ 12, имеющий кольцевую поверхность уплотнения, обращенную к кольцевой поверхности уплотнения 10 проточки в корпусе из огнеупорного материала для создания газонепроницаемого уплотнения.

На фиг.2 показана втулка 14, которая надета на стержень 6 и поддерживает прокладки 11 и 11' в сжатом состоянии. Верхняя часть втулки блокирована при помощи шайбы 13, которая в свою очередь удерживается при помощи гайки 15. Шайба 13 преимущественно находится в контакте с верхним концом 4 корпуса из огнеупорного материала 2, что придает компоновке повышенную жесткость. Втулка 14 изготовлена из материала, имеющего коэффициент теплового расширения, превышающий этот параметр для металлического стержня 6, и имеет длину, достаточную для того, чтобы существенно расширяться в направлении нижнего конца металлического стержня под действием температуры, до которой доведен стопорный стержень 6 в ходе разливки, так чтобы по меньшей мере компенсировать эффект расширения металлического стержня. Расширение втулки преимущественно главным образом точно компенсирует расширение металлического стержня. На фиг. 2 показано, что втулка 14 может выступать над верхним концом корпуса из огнеупорного материала 2, если это необходимо и если это позволяет длина втулки. Втулка 14 надета на металлический стержень 6 и образует с ним свободную сборку, допускающую вращение и скольжение или только скольжение. Верхний конец втулки 14 просто упирается в средства блокировки 13 и 15, жестко закрепленные на металлическом стержне 6, таким образом, что под действием расширения втулка 14 расширяется по оси только в направлении, противоположном этим средствам блокировки.

Материал, из которого изготовлена втулка, а также ее длину выбирают в зависимости от размеров металлического стержня и корпуса из огнеупорного материала, и материалов, из которых они изготовлены. Обычно металлический стержень выточен на станке из стали с коэффициентом теплового расширения около 12,5 ^oС^-1, а указанный корпус изготовлен при помощи изостатического прессования из огнеупорного материала с коэффициентом теплового расширения около 3-6 мкм ^oС^-1.

Материал, из которого сделана втулка, а также ее длина легко могут быть определены с использованием основных принципов тепловой физики. Исходя из значений, которые получены при первой аппроксимации и которые обычно дают хорошие результаты, можно затем произвести оптимизацию системы и легко исключить возможную ошибку.

В соответствии с настоящим изобретением втулка изготовлена из материала с высоким коэффициентом теплового расширения, который может выдерживать повышенные температуры, до которых нагревается стопорный стержень в ходе разливки. Например, в качестве материала с высоким коэффициентом теплового расширения может быть использован спеченный оксид магния. Предпочтительными материалами для данного применения являются металлы или сплавы металлов с высокими коэффициентами теплового расширения, имеющие высокую температуру плавления.

В соответствии с особым видом использования настоящего изобретения стопорный стержень также снабжен средством для предотвращения разделения металлического стержня от корпуса из огнеупорного материала. Такое средство описано в упомянутой ранее заявке на патент Бельгии 9800838. В этом случае используют металлическую вставку с резьбовым осевым внутренним отверстием, закрепленную в корпусе из огнеупорного материала, в качестве средства для крепления стержня к корпусу из огнеупорного материала, при этом вывинчивание стержня из указанной вставки блокировано за счет образования на ней двух параллельных плоских поверхностей в точке выходе из корпуса из огнеупорного материала и за счет поддержания этими плоскими поверхностями интегрального вилкообразного фланца, жестко соединенного с корпусом из огнеупорного материала. Неподвижное (жесткое) соединение может быть осуществлено при помощи штифта, введенного через вилкообразный фланец в корпус из огнеупорного материала.

Изобретение может быть использовано при разливке расплавленного металла, например стали или литейного чугуна. Стопорный стержень имеет корпус из огнеупорного материала с проточкой. Верхний конец стержня крепится к подъемному механизму для вертикального перемещения стержня. По меньшей мере, два участка стержня выполнены из различных огнеупорных материалов. В проточке имеется расширенный участок с уплотняющей поверхностью и уплотнительной прокладкой. Участок корпуса, охватывающий область, где размещена уплотнительная прокладка, выполнен из газонепроницаемого материала с относительной газопроницаемостью 5•10^-17 м². Второй участок выполнен из огнеупорного материала, стойкого к коррозии. За счет разницы коэффициентов теплового расширения материалов обеспечивается высокая герметичность соединения уплотняющих поверхностей. 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Стопорный стержень, содержащий удлиненный корпус (2) из огнеупорного материала, в котором по оси выполнена проточка (3), имеющая расширенный участок с кольцевой уплотняющей поверхностью (10), удаленной от верхнего конца (4) корпуса (2), и уплотнительной прокладкой и приспособленная для приема с фиксацией металлического стержня (6), верхний конец (8) которого выполнен с возможностью крепления к подъемному механизму, осуществляющему вертикальное перемещение стопорного стержня (1), средство (5) для крепления металлического стержня (6) в корпусе, отличающийся тем, что корпус (2) имеет, по меньшей мере, два участка, выполненных из различных огнеупорных материалов, причем первый участок (16), охватывающий главным образом область, в которой установлена уплотнительная прокладка (11, 11’), и не контактирующий с расплавленным металлом, выполнен из газонепроницаемого материала, имеющего относительную газопроницаемость менее 5·10^-17 м², а второй участок выполнен из огнеупорного, стойкого к коррозии, материала.2. Стопорный стержень по п.1, отличающийся тем, что в металлическом стержне (6) выполнена осевая проточка (7), сообщающаяся с проточкой (3) корпуса (2).3. Стопорный стержень по п.1 или 2, отличающийся тем, что корпус (2) имеет у своего нижнего конца средство для введения газа в ванну расплавленного металла.4. Стопорный стержень по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что газонепроницаемый материал выбран из группы огнеупорных материалов, содержащих добавки, способные снижать средний диаметр пор, например, флюсы и/или металлические элементы, образующие при высоких температурах карбиды.5. Стопорный стержень по п.4, отличающийся тем, что газонепроницаемый материал выбран из группы огнеупорных материалов, содержащих флюсы, выбранные из группы, включающей основные оксиды и диоксид кремния.6. Стопорный стержень по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что газонепроницаемый материал изготовлен из порошковой композиции, имеющей размер частиц, позволяющий получить пониженную относительную проницаемость материала.7. Стопорный стержень по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что на стержне выполнен кольцевой выступ (12), обеспечивающий герметичность между стержнем (6) и уплотняющей поверхностью (10) корпуса (2).8. Стопорный стержень по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что он снабжен средством прижима уплотнительной прокладки (11, 11') к кольцевой уплотняющей поверхности (10) корпуса (2) и обеспечения контакта с ней.9. Стопорный стержень по п.8, отличающийся тем, что средство для прижима уплотнительной прокладки (11, 11') представляет собой втулку (14), надетую на стержень (6).