СТОПОР Российский патент 2009 года по МПК B22D41/18 

Изобретение относится к стопору для регулирования потока расплавленного металла из металлургического конвертера, такого как разливочное устройство. Любые дальнейшие упоминания, касающиеся схемы, конструкции и/или работы стопора, относятся к типично используемому положению такого стопора, то есть вертикально направленному положению.

Известно, что при разливке стали используют такое стопорное устройство, которое в отдельных случаях представляет собой моноблочный огнеупорный стопорный стержень, имеющий так называемое "носовое положение" в нижнем конце, приспособление для крепления металлического стержня в его верхнем конце и перемещаемый вертикально подъемным механизмом для закрытия или изменения площади поперечного сечения выпускного отверстия соответствующего металлургического конвертера. Общая схема стопора и его крепления к подъемному механизму подробно описаны, например, в ЕР 0358535 В2, а также в прототипе, на который ссылается вышеупомянутый европейский патент. Таким образом, соответствующее раскрытие является частью данного описания.

Стопоры описанного вида используются также для ввода газа, часто инертного газа, такого как аргон, в расплавленную сталь. Эти газы нагнетают в металлургический расплав для повышения его качества путем, например, обеспечения флотационных состояний неметаллических включений в расплаве.

ЕР 1401600 В1 раскрывает такой моноблочный стопор, пригодный для подачи газа во время слива расплавленного металла. Вышеупомянутый стопор имеет отверстие, соединяющее внутреннюю камеру (простирающуюся коаксиально продольной оси стопорного стержня) и выпускной газовый канал в самом нижнем конце стопорного стержня, являющийся частью носового участка стопора. Здесь существует риск, заключающийся в том, что во время процесса литья потока газа, введенного в стопор, будет недостаточно, для того чтобы сровнять или превысить потенциал извлечения вакуума, создаваемый в носовой части стопора текущей сталью, - это так называемый "эффект водяного насоса".

В этом случае вакуум в наконечнике стопора будет втягивать весь подаваемый инертный газ из отверстия стопора и системы подачи, создавая пониженное давление в системе.

При наличии в системе каких-либо дефектных соединений воздух будет засасываться и повышать это пониженное давление, и затем нагнетаться в поток стали у наконечника стопора. Это как та точка, где наносится максимальный вред как качеству литой стали, так и эксплуатационной стабильности процесса отливки.

Нельзя увеличить скорость подачи инертного газа для того, чтобы превысить потенциал устранения "эффекта водяного насоса", поскольку это создаст недопустимые проблемы, связанные с качеством, такие как чрезмерная турбулентность в литейной форме, захват включений или "точечные дефекты" в затвердевших стальных изделиях.

В ЕР 1401600 В1 описано калибровочное устройство, а именно стержень с одним аксиально простирающимся газовым каналом или более, это устройство расположено в вышеупомянутом расточенном отверстии для создания заданного сопротивления потоку. Стержень должен дополнять конструкцию стопора, простираясь над дном внутренней камеры. На практике очень трудно заранее определить сопротивление потоку и изготовить соответствующий стопор. Необходимы дополнительные технологические операции для ввода стержня в частично готовый стопор, а в связи с этим возникают трудности создания эффективного крепежного и газонепроницаемого соединения во избежание изменений в ограниченном режиме работы.

Поэтому целью данного изобретения является создание стопора вышеописанного вида, который легко изготовить и который обеспечивает эффективный способ для транспортировки и выталкивания газа.

Изобретение основано на общеизвестной идее введения суженного канала для потока инертного газа внутри стопора для обеспечения заданного избыточного давления, которое предотвратит возникновение вакуума, создаваемого в наконечнике стопора, при любой комбинации условий эксплуатации стопорного отверстия и системы подачи газа. Параметры заданного избыточного давления будет зависеть от:

a) газового потока (количество/давление), подаваемого извне,

b) длины газового канала,

c) поперечного сечения газового канала,

d) расположения газового канала в корпусе стопора.

Исследования для установления предпочтительного режима продувки газом показали, что газовые каналы, меньше определенного диаметра, не способны обеспечить стойкое сопротивление во время рабочего цикла вследствие риска блокировки инородными частицами из внутренней части системы или риска небольших изменений, связанных с термомеханическими свойствами керамических материалов, значительно изменяющих сечение при рабочих температурах.

Оказалось, что узкие каналы, диаметром менее 1 мм, увеличивают риск изменения параметров продувки. Было обнаружено, что каналы диаметром более 1 мм снижают эти риски до минимума.

Кроме того, обнаружили, что сопротивление зависит от силы трения о стенки, которая в свою очередь зависит от длины канала и качества его поверхности.

Также было обнаружено, что длина соответствующего газового канала должна значительно превышать "толщину" огнеупорного материала в соответствующей области, и/или его стенные участки должны иметь более или менее шероховатую поверхность по меньшей мере на отдельных участках.

В своем самом общем варианте осуществления данное изобретение относится к стопорному стержню для регулирования потока расплавленного металла из металургического конвертера, включающему в себя:

- удлиненный корпус с продольной осью (А), выполненный из огнеупорного керамического материала,

- расточенное отверстие, простирающееся от верхней поверхности вышеупомянутого корпуса к его противоположному нижнему концу и заканчивающееся на расстоянии от наружной поверхности нижнего конца корпуса,

- по меньшей мере один газовый канал с площадью поперечного сечения, которая меньше средней площади поперечного сечения расточенного отверстия, и простирающийся от нижнего конца расточенного отверстия до по меньшей мере одного участка наружной поверхности в нижнем конце корпуса, где

- длина вышеупомянутого газового канала превышает расстояние, ограниченное прямой линией между его концами.

Суженный канал в стопоре создает заданное избыточное давление внутри стопорного отверстия и системы подачи при необходимых скоростях прохождения газа. Это заданное избыточное давление гарантирует, что любой вакуум, образующийся в наконечнике стопора во время литья вследствие "эффекта водяного насоса", не сможет преодолеть сопротивление вышеупомянутого канала и втянет весь подаваемый газ из системы.

Степень суженности и заданное избыточное давление стопорной системы должны, таким образом, соответствовать фактическим условиям литья и геометрической конфигурации как наконечника стопора, так и критического сечения сопла стопора, которые могут фактически меняться во время цикла литья.

В расточенном отверстии (главным образом, в его открытом верхнем конце), которое преимущественно устроено коаксиально продольной оси корпуса стопора, расположено вышеупомянутое крепежное приспособление, которое соответствует крепежному приспособлению на металлическом стержне, вставленном одним концом в расточенное отверстие и прикрепленном своим другим концом к подъемному механизму.

Расточенное отверстие, называемое также внутренней камерой, и любое устройство, размещенное в нем, спроектированы так, что позволяют газу, такому как инертный газ, проходить по всей длине вышеупомянутого расточенного отверстия и входить в газовый канал, простирающийся от нижнего конца расточенного отверстия до нижней поверхности огнеупорного стопорного устройства.

Длина вышеупомянутого газового канала может превышать по меньшей мере в два или три раза длину соответствующего кратчайшего расстояния между его впускным концом и выпускным концом или расстояния между его концами в направлении продольной оси стержня соответственно.

Это касается и конструкции, согласно которой длина газового канала в 5-30 раз больше, чем в конструкции с расстояниями, определенными ранее. Газовых каналов может быть 2 или более.

Для создания соответствующего длинного канала в огнеупорном керамическом стопорном участке ограниченного размера канал может быть спроектирован, например, спиралеобразным или меандрообразным. Могут быть использованы и все другие конструкции, лишь бы длина канала соответствовала вышеупомянутой формуле.

Канал можно создать с помощью любого подходящего материала, который сгорает при высоких температурах, особенно при обжиге огнеупорного стопора. В качестве примера: пластмассовый спиралеобразный профиль вставляют в устройство изостатического давления, затем это устройство заполняют подходящим керамическим материалом, окружая упомянутый профиль. После обработки и формования готовый стопор подвергают обжигу. В это время пластмассовый спиралеобразный профиль выгорает и создает необходимый спиралеобразный газовый канал. Вполне очевидно, что упомянутый газовый канал можно также получить с помощью готовой трубки соответствующей конфигурации.

Газовый канал можно расположить так, чтобы он входил в расточенное отверстие на расстоянии от самого нижнего конца (дна) расточенного отверстия. Это не только увеличивает расстояние до нижнего свободного конца стопорного стержня, но и предотвращает любую опасность блокировки твердыми материалами, входящими в газовый канал (инородные частицы).

Обычно канал начинается на расстоянии 10-100 мм над донной оконечностью расточенного отверстия, но это расстояние может быть другим в зависимости от специфического применения.

Согласно одному варианту осуществления изобретения газовый канал может иметь среднюю площадь поперечного сечения 0,5-4 мм². Газовый канал может иметь почти любую форму. Его площадь поперечного сечения, перпендикулярная газовому потоку, может представлять собой круг, треугольник, квадрат, или она может быть, к примеру, прямоугольной.

По меньшей мере один газовый канал может быть устроен по меньшей мере частично внутри или вокруг огнеупорного отформованного элемента, установленного в вышеупомянутом корпусе или прикрепленного к нему. Канал, например, может быть сконструирован внутри или на поверхности огнеупорного отформованного элемента, установленного вдоль соответствующего отверстия стопора или огнеупорного корпуса соответственно. Этот отдельный элемент может быть жестко прикреплен к огнеупорному корпусу, например посредством завинчивания, шпилек и т.п. Отформованный элемент может быть также прикреплен к корпусу с помощью строительного раствора или клея. Этот элемент может представлять собой изостатически прессованную обожженную или необожженную деталь. Канал можно создать внутри вышеупомянутой детали, на ее поверхности и/или посредством канавки в соответствующей области корпуса.

Как уже упоминалось выше, площадь поперечного сечения газового канала может меняться по его длине. Например, она может быть расширенной через определенные промежутки, что повышает противодавление и предотвращает опасность прерывания газового потока. Газовый канал может быть оснащен выступами, которые делают газовый проход еще меньшим, или/и выемками, увеличивающими газовый проход. Выступы и выемки могут быть прерывистыми. Они могут простираться подобно кольцу вокруг области газового прохода. Могут иметь любую конфигурацию. Они могут следовать за равномерными стенными участками у острых краев или скошенных углов (или промежуточных секций соответственно).

Согласно одному варианту осуществления изобретения общая длина газового канала от его входа до его выхода составляет 50-1000 мм. В то время как его направление, наклон, форма и поперечное сечение могут меняться, как описано выше, один вариант осуществления предлагает конструкцию, согласно которой газовый канал простирается вдоль продольной оси корпуса от самого нижнего поверхностного участка корпуса внутрь этого корпуса. Другими словами, самый крайний конец газового канала (в направлении газового потока) параллелен и коаксиален продольной оси стопорного стержня. Вместе с типично вращательной симметрией всего стопорного устройства это позволяет центральному газовому потоку течь в сопло выхода и таким образом оптимизирует условия движения газа и обработку расплава. В качестве альтернативы в газовом канале можно предусмотреть 2 выходных конца или более.

Следующий пример демонстрирует работу изобретенной конструкции. Исходя из конструкции стопора, изображенной на Фиг.1 согласно ЕР 358535 В2, и постоянного прилагаемого давления газа и расхода газа, наблюдается увеличение результирующего внутреннего давления в 0,3 бара, когда газовый канал 12 перепроектирован из первоначального, имеющего диаметр 1,4 мм и длину 100 мм, в имееющий тот же диаметр 1,4 мм, но длину 400 мм.

Теперь будут описаны в качестве примеров два варианта осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых Фиг.1 и 2 представляют собой схематические разрезы различных элементов двух стопоров согласно различным вариантам осуществления изобретения. На обеих фигурах стержни изображены в вертикальном поперечном сечении.

На Фиг.1 цифра 10 обозначает огнеупорный керамический корпус, имеющий форму стержня. Его продольная ось помечена "А-А".

Самый нижний конец стопора отмечен цифрой 12. Это часть нижнего конца 101, так называемой носовой части стопора. На расстоянии над 12 (здесь: приблизительно 80 мм) расточенное отверстие 14 (здесь: диаметром приблизительно 40 мм) простирается до верхнего конца стопора, причем этот верхний конец является обычным по своей конструкции и не изображен.

Между верхним концом и нижней частью 101 стопорного корпуса 10 имеется промежуточный участок 10i, вдоль которого расточенное отверстие 14 имеет стенку 16 с нарезанной резьбой, которая входит в соответствующую внешнюю резьбу 18 металлического стержня 20, размещенного в расточенном отверстии 14 для устойчивого крепления стопора 10 к соответствующему подъемному механизму. На расстоянии (h) от донного края 14b расточенного отверстия 14 начинается газовый канал 22 со своим входным отверстием 22i. На пути к своему выходному отверстию 22о в самой нижней части 12 корпуса газовый канал 22 спроектирован в виде меандра, как это схематично показано на Фиг.1. Благодаря такой меандрообразной конструкции длина канала значительно увеличена по сравнению с осевым расстоянием Н (вдоль продольной оси А) между входным отверстием 22i и выходом 22о или по сравнению с прямым расстоянием между входным отверстием 22i и выходом 22о, обозначенном "D" на Фиг.1. В то время как "D" или "Н" соответственно изменяются от 60 до 100 мм в обычных стопорных стержнях, общая длина газового канала 22 будет составлять в соответствии с изобретением - 120-1000 мм, хотя может быть даже большей.

На Фиг.2 изображен один (нижний) конец, в частности носовая часть альтернативной конфигурации согласно изобретению, основные отличия которого будут раскрыты ниже. Вместо меандрообразной конфигурации газовый канал 22 имеет спиралеобразную форму и заканчивается слегка расширенным участком 22о, который опять же коаксиален продольной оси А, чтобы избежать или минимизировать всякую турбулентность в металлическом расплаве, в то время как вышеупомянутый стопор размещен коаксиально над соответствующим выпускным соплом.

И снова благодаря спиралеобразной конфигурации газового канала 22 его длина будет значительно превосходить осевое расстояние от его входной позиции 22i до его выходной позиций 22о. Сопротивление потоку любого газа, проходящего по газовому каналу 22, будет соответственно увеличиваться, допуская возникновение потенциальных проблем, связанных с несуженным газовым потоком и вакуумными эффектами во время работы, которых следует избегать.

Фиг.3 изображает нижний конец 101 стопора, носовая часть которого включает в себя отдельный профилированный элемент 30, ввинченный в соответствующее отверстие 32 носовой части. Элемент 30 содержит спирально расположенный газовый канал 22 с его входным концом 22i в текучем соединении с расточенным отверстием 14 и его выходным концом 22о, заканчивающимся в наружной поверхности 10s стопора 10 в его самом нижнем конце. Канал 22 можно также предусмотреть между соответствующими поверхностями элемента 30 и корпуса 10, как это обозначено пунктирными линиями 23, в виде выемок в той и другой или в обеих поверхностях.

Изобретение относится к металлургии, в частности к разливочным устройствам. Стопор имеет расточенное отверстие, по меньшей мере, один газовый канал, длина которого превышает расстояние, ограниченное прямой линией между его концами. Площадь поперечного сечения канала меньше средней площади расточенного отверстия. Газовый канал может быть выполнен в виде спирали или меандра. Благодаря созданию избыточного давления внутри стопорного отверстия предотвращается образование вакуума в наконечнике стопора и обеспечивается стабильность разливки. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Стопорный стержень для регулирования потока расплавленного металла из металлургической емкости, содержащий удлиненный корпус (10) с продольной осью (А), выполненный из огнеупорного керамического материала, расточенное отверстие (14), простирающееся от верхней поверхности корпуса к его противоположному нижнему концу (101) и заканчивающееся на расстоянии от наружной поверхности (10s) нижнего конца (101) корпуса (10), по меньшей мере один газовый канал (22), имеющий площадь поперечного сечения, которая меньше средней площади поперечного сечения расточенного отверстия (14), и простирающийся от нижнего конца (14b) расточенного отверстия (14) до по меньшей мере одного участка наружной поверхности в нижнем конце (101) корпуса (10), при этом длина вышеупомянутого газового канала (22) превышает расстояние, определяемое прямой линией между его концами (22i, 22o).

2. Стопорный стержень по п.1, в котором длина газового канала (22) в 5-30 раз больше расстояния, определяемого прямой линией между его концами (22i, 22o).

3. Стопорный стержень по п.1, в котором газовый канал (22) выполнен в виде спирали.

4. Стопорный стержень по п.1, в котором газовый канал выполнен в виде меандра.

5. Стопорный стержень по п.1, в котором газовый канал (22) входит в расточенное отверстие на расстоянии от нижнего конца (14b) расточенного отверстия (14).

6. Стопорный стержень по п.5, в котором упомянутое расстояние составляет 20-200 мм.

7. Стопорный стержень по п.1, в котором газовый канал имеет среднюю площадь поперечного сечения 0,5-4 мм².

8. Стопорный стержень по п.1, в котором площадь поперечного сечения газового канала (22) изменяется вдоль его длины.

9. Стопорный стержень по п.1, в котором общая длина газового канала (22) составляет 50-1000 мм.

10. Стопорный стержень по п.1, в котором газовый канал (22) простирается по продольной оси корпуса от самого нижнего поверхностного участка (12) в корпус (10).

11. Стопорный стержень по п.1, в котором по меньшей мере один газовый канал (22) расположен, по меньшей мере, частично внутри или вокруг огнеупорного отформованного элемента (30), установленного в вышеупомянутом корпусе (10) и/или прикрепленного к нему.