ПОДЖИМАЮЩИЙ МЕХАНИЗМ СО СТЕРЖНЕМ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ В КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ СОДЕРЖАНИЯ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА Российский патент 2015 года по МПК F27D1/14 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к конструкциям, используемым для содержания и передачи расплавленного металла, или к узлам таких конструкций. Точнее, настоящее изобретение относится к таким конструкциям, которые содержат огнеупорный или керамический сосуд, заключенный в наружный металлический кожух, используемый для крепления, защиты и, если необходимо, для центровки огнеупорного сосуда.

Уровень техники

Такого типа конструкции для содержания металла, как правило, включают в себя огнеупорный сосуд некоторого вида, например сосуд для передачи расплавленного металла, который крепится внутри наружного металлического кожуха. Когда расплавленный металл помещают в сосуд или передают через сосуд, последний может разогреваться до очень высоких температур (например, до 700-750°С). Если это тепло передается на наружный металлический кожух конструкции для содержания металла, то металлический кожух может подвергаться расширению, короблению и деформации, что (если сосуд собран из секций) может привести к образованию зазоров между секциями сосуда и тем самым к утечкам расплавленного металла. Кроме того, наружная поверхность кожуха при работе может принимать температуру, которая небезопасна для операторов оборудования. Эти недостатки усугубляются, если к сосуду подводят дополнительное тепло для поддержания требуемой температуры расплавленного металла. Например, когда используется подогрев сосуда, температура его наружной поверхности может доходить до 900°С. Между сосудом и внутренней стороной кожуха могут быть предусмотрены слои изоляции, но такие слои не могут обеспечить жесткой опоры для сосуда, однако они могут не позволить создать промежуток между сосудом и кожухом для циркуляции тепла, когда требуется обогрев сосуда.

Чтобы решить такие проблемы, сосуд можно жестко закрепить внутри металлического кожуха в различных, отстоящих друг от друга точках, и тем самым дать возможность образовать теплоизолирующий промежуток между сосудом и кожухом. Такой промежуток также дает возможность циркуляции тепла в системах раздачи металла, в которых предусмотрен подвод тепла к сосуду. Тогда слои изоляции можно использовать для облицовки внутренней части кожуха на стороне промежутка, обращенной к самому кожуху, чтобы обеспечить металлическому кожуху дополнительную тепловую изоляцию. Однако жесткие опоры не могут компенсировать тепловое расширение и сокращение, которые испытывает сосуд при циклическом изменении температуры системы раздачи металла, и, как правило, не могут сдерживать рост трещин, которые могут образовываться в сосуде.

Соответственно существует потребность в усовершенствованных средствах обеспечения жесткой опоры для керамического сосуда в металлическом кожухе конструкции, предназначенной для раздачи металла.

Раскрытие изобретения

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается поджимающий механизм со стержнем для приложения усилия к огнеупорному сосуду, расположенному внутри наружного металлического кожуха; причем механизм содержит жесткий удлиненный стержень, у которого имеются первый и второй противолежащие торцы, болт с резьбой, примыкающий к указанному первому из противолежащих торцов удлиненного стержня, и поджимающее устройство, функционально расположенное между указанным удлиненным стержнем и болтом, при этом усилие сжатия, прикладываемое со стороны болта к удлиненному стрежню, передается через поджимающее устройство, выполненное с возможностью компенсации ограниченных продольных перемещений удлиненного стержня, что устраняет необходимость в соответствующих продольных перемещениях болта.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается конструкция для содержания расплавленного металла (например, конструкция для размещения, раздачи или передачи расплавленного металла), содержащая огнеупорный сосуд для расплавленного металла, расположенный внутри наружного металлического кожуха, причем указанный сосуд отнесен от внутренних поверхностей кожуха на расстояние и подвергнут сжатию посредством по меньшей мере одного поджимающего механизма со стержнем, при этом поджимающий механизм со стержнем содержит: жесткий удлиненный стержень, у которого имеются первый и второй противолежащие торцы, причем второй торец находится в контакте с сосудом внутри кожуха, болт с резьбой, по меньшей мере частично выступающий наружу кожуха, и примыкающий к первому из противолежащих торцов удлиненного стержня, и поджимающее устройство, функционально расположенное между указанным удлиненным стержнем и болтом, при этом усилие, прикладываемое со стороны болта к указанному удлиненному стержню, передается через указанное поджимающее устройство, выполненное с возможностью компенсации ограниченных продольных перемещений удлиненного стержня, что устраняет необходимость в соответствующих продольных перемещениях болта.

Сосуд может представлять собой, например, протяженный сосуд с каналом для передачи металла, проходящим в продольном направлении от одного торца сосуда до противоположного торца, сосуд, содержащий протяженный канал для передачи расплавленного металла, канал, содержащий фильтр металла, сосуд, содержащий внутренний объем для размещения и временного хранения расплавленного металла, и по меньшей мере одно устройство для дегазации металла, выступающее в указанный внутренний объем, или сосуд, по конструкции выполненный в виде тигля, у которого имеется внутренний объем, приспособленный для размещения реагирующих химических агентов.

Предпочтительно, чтобы в рассматриваемой конструкции для содержания металла каждый из множества поджимающих механизмов со стержнем прикладывал к сосуду усилие величиной 0-2268 кг. В предпочтительном варианте сосуд содержит продольные боковые стенки и нижнюю стенку, при этом несколько поджимающих механизмов с изолирующим стержнем находятся в контакте с продольными боковыми стенками и/или нижней стенкой в точках, которые вдоль сосуда отстоят друг от друга на расстоянии 3,8-38,1 см. Предпочтительно, чтобы между сосудом и кожухом был незаполненный промежуток, а трубчатый металлический держатель заканчивался вблизи указанного промежутка, например, на расстоянии 0-5 см. С другой стороны, предпочтительно, чтобы трубчатый металлический держатель отстоял от одного из торцов тела стержня на расстоянии 0-7,6 см.

Конструкция может содержать нагреватель для обогрева сосуда или в ином варианте сосуд может быть необогреваемым, при этом рядом с внутренней поверхностью кожуха может быть предусмотрен теплоизолирующий материал.

Жесткий стержень поджимающего механизма может противостоять нагреву сосуда до высоких температур. Поскольку контакт сосуда с металлическим кожухом в принципе осуществляется единственно через жесткий стержень, теплопередача от стенок сосуда снижена. Таким образом, стержень в тепловом отношении изолирует сосуд от металлического кожуха. Вдобавок к этому усилие сжатия, прикладываемое со стороны стержня, помогает предотвратить образование трещин или стабилизировать трещины, если они уже образовались, и тем самым снизить вероятность утечки металла из сосуда.

Сосуд, главным образом, предназначен для содержания или передачи расплавленного алюминия или алюминиевых сплавов, однако может быть применен для содержания или передачи других расплавленных металлов и сплавов, в частности тех, у которых температура плавления близка к температуре расплавленного алюминия, например магния, свинца, олова и цинка (температуры плавления которых ниже температуры плавления алюминия), а также меди и золота (у которых температуры плавления выше). Температура плавления железа и стали гораздо выше, однако конструкции, соответствующие настоящему изобретению, если требуется, могут быть рассчитаны и на такие металлы.

Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается стержневой элемент для поджимающего механизма с изолирующим стержнем вышеописанного типа, содержащий удлиненный жесткий стержень, у которого имеются первый и второй противолежащие торцы, причем указанный стержень содержит огнеупорный теплоизолирующий материал, примыкающий к указанному второму из противолежащих торцов стержня.

Краткое описание чертежей

Варианты выполнения настоящего изобретения будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - в разобранном виде, и в сечении изображает поджимающий механизм со стержнем, соответствующий одному варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.2 - в сечении изображает часть конструкции для содержания расплавленного металла, оснащенную поджимающим механизмом со стержнем, соответствующим фиг.1, а также изображает скобу держателя, закрепленную на наружной поверхности указанной конструкции,

фиг.3 - в перспективной проекции и частично в сечении изображает конструкцию для содержания расплавленного металла, аналогичную показанной на фиг.2, а также дополнительные поджимающие механизмы с изолирующим стержнем, которые поддерживают в конструкции сосуд для содержания расплавленного металла, и

фиг.4 изображает поперечное сечение аналогичное фиг.2, но для другого варианта осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг.1 в разобранном виде и продольном сечении изображен поджимающий механизм 10 со стержнем, соответствующий одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Механизм содержит удлиненный стрежень 12, металлическую пластину 14, три тарельчатые металлические пружинные шайбы 15, заключенные в держатель 16, который прикреплен к пластине 14, и тем самым окружает пружинные шайбы 15 и удерживает их в контакте с пластиной 14, болт 18 и гайку 20 с внутренней резьбой. Стержень 12 имеет удлиненное тело 22 из огнеупорного материала (обычно керамики) в виде протяженного цилиндра или столба длиной L, которое тянется от торца 24 (первого торца), контактирующего с пластиной, до торца 23 (второго торца), контактирующего с огнеупорным сосудом. Огнеупорный материал, используемый для тела стержня, в предпочтительном варианте представляет собой оксид алюминия (экструдированный или прессованный), но может быть использована и другая керамика, обладающая прочностью на сжатие, например двуокись циркония, плавленый кварц, муллит, титанат алюминия или стеклокерамика, поддающаяся станочной обработке (например, продукт, предлагаемый на рынке под торговой маркой Масоr®, выпускаемый компанией Ceramic Substrates and Components Limited, Великобритания). Стержень 22 также оснащен металлическим трубчатым держателем 26, который охватывает стержень и проходит от торца 24, соприкасающегося с пластиной, на части длины L стержня 22, заканчиваясь недалеко от торца 23, соприкасающегося с огнеупорным сосудом. Тарельчатые шайбы 15, которые часто называют тарельчатыми пружинами, сплющиваются, когда к ним прикладывают осевое усилие, но, обладая упругостью, возвращаются к первоначальной тарельчатой форме, когда усилие снимают. Данные тарельчатые пружины показаны в виде сплошных дисков, однако, в иных вариантах они могут быть оснащены небольшим центральным отверстием. У болта 18 на одном конце имеется увеличенная многогранная головка 30, форма которой соответствует гнезду инструмента (не показан), который используется для вращения болта. Головка связана с удлиненной резьбовой частью 31 с наружной резьбой, у которой имеется контактная поверхность 32 на стороне противоположной головке. У гайки 20 имеется многогранная наружная поверхность 34, за которую гайку можно удерживать, не давая вращаться, и отверстие 35 с внутренней резьбой такого диаметра и шага, которые позволяют гайке перемещаться по резьбовой части 31 болта, когда последний вращают. В держателе 16 имеется центральное отверстие 28, диаметр которого достаточно большой, чтобы конец болта 18 мог пройти насквозь, а контактная поверхность 32 могла войти в соприкосновение с шайбами 15 и приложить осевое усилие для сжатия шайб.

Стержень 22 и (предпочтительно) трубчатый металлический держатель 26 образуют сменный компонент механизма, который может потребовать замены, если стержень 22 выходит из строя, например, вследствие поломки или ползучести металла, вызванных воздействием высоких температур.

Детали механизма 10 показаны в собранном виде на фиг.2 в своем положении на части конструкции 40 для содержания расплавленного металла, в которой имеется огнеупорный сосуд 42 (например, емкость для передачи металла), металлический кожух 44 (выполненный, например, из стали) и внутренний слой 45 изоляционного материала (например, огнеупорная панель). В конструкции между сосудом 42 и слоем 45 изоляционного материала присутствует открытый или незаполненный воздушный промежуток 46, примыкающий к внутренней поверхности металлического кожуха 44. Указанный промежуток перекрыт протяженным стержнем 12, который проходит через отверстие 48 в кожухе 44 и слой 45 изоляции, так что торец 23 стержня, предназначенный для контакта с сосудом 42, соприкасается с наружной поверхностью 49 последнего. Стержень 12 имеет длину достаточную, чтобы его торец 24, предназначенный для контакта с пластиной, был расположен снаружи кожуха 44. U-образная скоба 50 прикреплена к кожуху 44 (например, сваркой) так, что при этом охватывает пластину 14, держатель 16 и гайку 20. На наружной стороне скобы 50 имеется центральное отверстие, оснащенное контактными пластинами 54, которые захватывают наружную поверхность 34 гайки, препятствуя вращению последней. Скоба также содержит упоры 55, которые препятствуют осевому перемещению гайки 20 назад, вдоль оси болта. Боковины скобы 50, примыкающие к кожуху 44, в силу близкого расположения также препятствуют вращению пластины 14 (которая по форме обычно является квадратной или прямоугольной), но не мешают при этом продольному перемещению пластины 14. Когда торец 23, предназначенный для контакта с огнеупорным сосудом, касается сосуда, как показано на фиг.2, головку 30 болта вращают, так чтобы болт вошел в контакт с шайбами 15, при этом стержень поджимается к сосуду, а тарельчатые шайбы 15 работают как пружины, позволяя стержню 12 слегка перемещаться в направлении к сосуду 42 и от сосуда, и компенсировать расширение или сокращение сосуда при циклическом изменении температуры, при этом не требуется никакого осевого перемещения болта 30. Предпочтительно не затягивать болт настолько, чтобы происходило полное сжатие пружинных шайб 15, поскольку тогда они утратят способность компенсировать расширение сосуда. Таким образом, стержень 12 прилегает к сосуду крепко, но упруго, и прикладывает к сторонам сосуда поджимающее усилие.

Как видно из фиг.3, сосуд 42 в данном варианте осуществления представляет собой протяженный керамический огнеупорный сосуд для передачи расплавленного металла, входящий в состав конструкции для раздачи расплавленного металла, и оснащенный протяженным каналом для передачи металла. С нижней стороны сосуд 42 поддерживается соседними парами механизмов 10 поджимающих стержней того типа, какой показан на фиг.2, которые проходят вертикально через нижнюю стенку 60 металлического кожуха 44. Сосуд поддерживается указанными парами вертикальных механизмов и удерживается на расстоянии от нижней стенки 60, при этом указанными механизмами осуществляется также и пожатие сосуда, поскольку верхняя сторона сосуда снизу упирается в металлические верхние накладки 63, которые прикреплены болтами к металлическому кожуху 44 и составляют его часть. Предпочтительно, чтобы между верхними краями сосуда 42 и нависающими внутренними кромками 61 верхних накладок 63 были помещены изолирующие полосы 64 из огнеупорного материала, чтобы дополнительно снизить тепловые потери в указанных местах. Полосы 64 жесткие и действуют в качестве упоров, допуская приложение поджимающего усилия со стороны нижних механизмов 10. Изолирующие огнеупорные полосы 64 предпочтительно выполнить минимально узкими в поперечном горизонтальном направлении, чтобы минимизировать теплопередачу от сосуда к верхним накладкам 63. Нижняя часть сосуда 41 также зафиксирована против поперечного перемещения посредством противоположных пар механизмов 10 горизонтальных стержней, проходящих через боковые стенки 62 металлического кожуха 44. Данные механизмы прикладывают к сосуду с противоположных сторон встречные уравновешивающие поджимающие усилия, причем указанные механизмы, в общем, расположены по уровню ниже канала сосуда, там, где имеется сплошной массив огнеупорного материала от одной стороны сосуда до другой и исключен изгиб стенок сосуда вовнутрь. По длине конструкции, предназначенной для раздачи металла, установлено несколько групп механизмов 10 с поджимающими стержнями на нижней и боковой стенках, которые отнесены друг от друга на определенные интервалы по длине конструкции, чтобы создать множество точек опоры и поджатия огнеупорного сосуда 42. Интервалы между соседними группами механизмов в продольном направлении не критичны, однако, предпочтительно, чтобы интервал составлял 3,8-38 см, а более предпочтительно 15,2-25,4 см.

Хотя на фиг.3 показано применение механизмов 10 для создания как вертикальной опоры/поджатия, так и горизонтальной опоры/поджатия, в иных вариантах осуществления изобретения может быть предусмотрена только вертикальная опора/поджатие или только горизонтальная опора/поджатие в соответствии с требованиями к размеру и условиями эксплуатации конструкции для раздачи металла. В любом случае рассматриваемые механизмы осуществляют тепловую изоляцию сосуда от кожуха.

Внутренняя часть металлического кожуха облицована слоями огнеупорной тепловой изоляции 45, чтобы дополнительно уменьшить теплопередачу к металлическому кожуху. Такие слои не обеспечивают существенной физической опоры сосуду 42, и в действительности не касаются сосуда, по меньшей мере его вертикальных боковых стенок, как показано на фиг.3, где присутствует воздушный промежуток 46 для создания дополнительной тепловой изоляции сосуда 42. Естественно, если требуется, то все пространство между металлическим кожухом и сосудом можно заполнить огнеупорной изоляцией, и, кстати, в варианте осуществления, представленном на фиг.3, под сосудом 42 никакой воздушный промежуток не предусмотрен.

Хотя в варианте осуществления, изображенном на фиг.3, внутренние нагреватели для сосуда 42 и не используются, если требуется, в боковых воздушных промежутках 46 могут быть установлены электрические нагревательные элементы (не показаны) для передачи тепла сосуду, чтобы поддерживать содержащийся в сосуде расплавленный металл при требуемой высокой температуре. С другой стороны, обогрев сосуда можно производить средствами, которые раскрыты, например, в патенте США 6973955, выданном 13 декабря 1995 г., и в находящейся на рассмотрении патентной заявке США 12/002989, опубликованной 10 июля 2008 г. под номером 2008/0163999 (содержание указанного патента и заявки специально включены в настоящее изобретение посредством данной ссылки). В патенте 6973955 предусмотрен электрический нагрев снизу, а в указанной заявке предусмотрен нагрев за счет циркуляции топочных газов. В каких-то еще вариантах осуществления изобретения средства нагрева могут быть размещены внутри самого огнеупорного сосуда или над ним.

Когда используются обогреватели сосуда, предпочтительно, чтобы трубчатые металлические держатели 26 стержней 12 напрямую не подвергались действию горячей атмосферы в воздушном промежутке 46. В таких случаях металлические держатели должны заканчиваться в пределах слоя изолирующего материала 45 (см. фиг.2), так чтобы в воздушном промежутке открытым оставалось только тело 22 керамического стержня. Таким образом, предпочтительно, чтобы металлический держатель захватывал всю длину керамического тела 22 за исключением той части, которая проходит в промежутке 46, и плюс дополнительное расстояние в интервале 0,3-1 см. Часто размер воздушного промежутка лежит в интервале 0,6-3,8 см, тогда металлический держатель 26 должен захватывать всю длину тела керамического стержня, за исключением участка 1-4,8 см от торца 23, контактирующего с сосудом. В случае необогреваемых систем раздачи металла предпочтительно, чтобы трубчатый металлический держатель 26 захватывал всю длину тела керамического стрежня за исключением последних 0,3-1,3 см, примыкающих к сосуду. Этого достаточно для обеспечения тепловой изоляции сосуда при помощи стержня 12 и создания при этом максимальной поддержки со стороны керамического стержня.

Длины L стержней 12 могут быть различными, чтобы соответствовать системам раздачи металла различных размеров. Эти длины часто варьируют в интервале от 3,8 см до 30,5 см или более, а чаще всего в интервале 7,6-12,7 см

Теплопроводность стержня 12 уменьшается при уменьшении диаметра керамического тела 22, что хорошо, однако, неблагоприятно то, что прочность на сжатие при этом снижается и может возрастать хрупкость, так что обычно существует оптимальный диапазон толщин, в котором теплопроводность минимальна, но сохраняется достаточная прочность. Оптимальный диапазон зависит от материала, который используется для тела 22 огнеупорного стержня, однако в предпочтительном случае данный интервал составляет 0,6-7,6 см, а лучше 1,3-3,2 см.

Как отмечалось выше, болт 18 обычно затягивают так, чтобы стержень 12 прикладывал поджимающее усилие к сосуду 42. Предпочтительно, чтобы такое поджимающее усилие было в интервале 0-2668 кг, а более предпочтительно в интервале 363-544 кг. Нулевое усилие включено в первый, широкий интервал, поскольку стержень все равно выполняет свою функцию, если препятствует перемещению сосуда фактически без приложения силы, пока сосуд прижат к стержню за счет теплового расширения или в силу развития трещины.

Стержни несут нагрузку сжатия, которая передается на сосуд, поэтому керамический материал тела 22 стержней выбирают для работы при таких нагрузках без раскалывания или излома. В качестве примера расчетная нагрузка сжатия 544 кг на стержне диаметром 1,6 см создает давление почти 27,6 МПа, а на практике нагрузка на стержне может доходить до 2268 кг, что создает давление 112,4 МПа. На рынке предлагаются стержни из оксида алюминия с сопротивлением сжатию 2068,4 МПа и выше, что подходит для большинства или для всех таких применений. Другие виды керамики могут иметь более низкую прочность на сжатие, порядка 344,7 МПа, но они все равно приемлемы для многих применений. Следует иметь в виду, что характеристики прочности материалов обычно приводятся для комнатной температуры, а при повышенных температурах они могут снижаться в разной степени - от умеренной до сильной, поэтому рекомендуется выбирать материалы, величина прочности которых значительно превышает ожидаемые значения напряжений. Благодаря своему очень высокому значению сопротивления сжатию оксид алюминия предпочтителен для большинства применений.

Следует отметить, что хотя стержень 22 в предпочтительном варианте представляет собой цилиндр или столб из огнеупорного материала, он может быть трубчатым или пустотелым. Это дополнительно снижает площадь контакта между торцом 23 стержня и стенкой сосуда, за счет чего дополнительно уменьшается отток тепла от сосуда. Высокая прочность оксида алюминия, в частности, делает возможной такую форму без существенного увеличения риска разрушения стержня. Стержень 22 может также иметь поперечное сечение любой формы, например круговой, овальной, треугольной, квадратной, прямоугольной, многоугольной и т.п.

Металлический трубчатый держатель 26 предпочтительно должен быть достаточно длинным, чтобы обеспечивать хорошую поддержку огнеупорному стержню, но должен заканчиваться на достаточном расстоянии от торца 23, контактирующего с сосудом, чтобы избежать увеличения теплопередачи от сосуда. Трубка, в которой находится стержень, должна иметь достаточную толщину стенки, чтобы в случае раскалывания стержня в процессе эксплуатации по-прежнему сохранялась достаточная прочность для приложения усилия поджатия. Предпочтительно толщина стенки трубки должна составлять по меньшей мере 3 мм, а более предпочтительно находиться в интервале 1-2 мм. Для трубки можно использовать сталь или другой прочный металл.

Если трубку не сажать на стержень с минимальным зазором, то стержень предпочтительно вклеить в трубку посредством термостойкого заполняющего пространство клея. Среди подходящих клеящих веществ - клей Cotronics ResBond® 989FS (выпускаемый компанией Cotronics Corporation, Brooklyn, New York, USA), который представляет собой высокотемпературный керамический клеящий состав с высокотемпературными эпоксидными смолами. Часть эпоксидной смолы может выгорать на конце стержня, ближайшем к сосуду, но дальний конец будет оставаться достаточно холодным, чтобы клей мог сохранять рабочее состояние. Чтобы избежать применения клеев, трубку можно соединить со стержнем по горячепрессовой посадке.

Как показано на фиг.2, в данном варианте осуществления изобретения торец 23 стержня 12 прилегает непосредственно к наружной поверхности 49 сосуда 42. Однако в других вариантах конструкции может потребоваться приложение усилия через несжимаемую вставку (не показана), обладающую большей площадью поверхности, чтобы распределить нагрузку по стенке сосуда. Такая вставка предпочтительно должна быть выполнена из керамического материала, например оксида алюминия, и может являться частью самого стержня 12 или представлять собой деталь, приклеиваемую к стержню 12. Преимущество такой конструкции заключается в снижении вероятности повреждения сосуда при сохранении минимальной теплопроводности благодаря использованию комбинации тонкого стержня/широкой вставки.

Согласно еще одному варианту, стержень 12 можно выполнить частично из огнеупорного материала, а частично из металла, при этом огнеупорную часть следует расположить рядом с торцом 23, который контактирует с сосудом. Огнеупорную часть можно выполнить достаточно длинной, чтобы она работала в качестве теплового изолятора между сосудом и металлической частью стержня.

Хотя выше было описано применение стержня 12, целиком или частично выполненного из огнеупорной керамики, указанный стержень можно выполнить и целиком из металла, например нержавеющей стали, титана или инконеля (сплава на основе Ni-Cr). Ясно, что применение металлических стержней снижает вероятность их поломки при сжатии, однако увеличивает потери тепла из сосуда. Более того, определенные металлы демонстрируют потерю прочности или высокотемпературную ползучесть, поэтому применение цельнометаллических стержней рекомендуется только в низкотемпературных конструкциях, например, для металлов с более низкими температурами плавления, и без дополнительного подвода тепла к сосуду. В отличие от этого стержни, содержащие огнеупорную керамику или состоящие из огнеупорной керамики, пригодны для применения при любых температурах.

Хотя это конкретно и не показано, но также может быть предусмотрено поджатие торцов сосуда 42 и в продольном направлении. При этом усилие передается от торцевых пластин металлического кожуха к торцам сосуда через механизмы болтов и тарельчатых шайб, закрепленные на торцевых стенках металлического кожуха. Однако в данных местах - на торцевых стенках - изолирующие стержни, подобные показанным на фиг.2 и 3, не требуются.

Сам сосуд 42 может быть выполнен из любого подходящего, известного керамического материала, например оксида алюминия или карбида кремния, и может быть собран из двух или более секций (например, 42А и 42В, см. фиг.3), поставленных торцом к торцу, чтобы образовался сосуд любой необходимой длины.

В варианте осуществления изобретения, изображенном на фиг.3, сосуд 42 для содержания металла представляет собой протяженный сосуд такого типа, какие используют в системах раздачи расплавленного металла, применяемых для передачи расплавленного металла из одного места (например, металлоплавильной печи) в другое место (например, к литейной форме). Однако в соответствии с иными примерами осуществления изобретения сосуд может быть предназначен для другой цели, например для размещения встроенного керамического фильтра (например, фильтра из пенокерамики), применяемого для задержания частиц в потоке расплавленного металла, когда последний проходит, например, от металлоплавильной печи к литейному столу. В таком случае сосуд содержит канал для передачи расплавленного металла и установленный в канале фильтр. Согласно другому варианту осуществления изобретения, рассматриваемый сосуд действует как контейнер, в котором осуществляется дегазация расплавленного металла, например, как в известной «компактной установке дегазации Alcan», что описано в международной патентной заявке 95/21273, опубликованной 10 августа 1995 г. (описание которой включено в настоящее изобретение посредством ссылки). В процессе дегазации происходит удаление водорода и других примесей из струи расплавленного металла, когда металл движется из печи к литейному столу. Такой сосуд включает в себя внутренний объем для содержания расплавленного металла, в который сверху выступают вращающиеся роторы дегазатора. Сосуд может использоваться для поточной обработки или он может являться частью системы раздачи металла, соединенной с сосудами передачи металла. В общем, рассматриваемый в изобретении сосуд может представлять собой любой огнеупорный сосуд для содержания металла, расположенный в металлическом кожухе. По конструкции такой сосуд может также быть выполнен в виде тигля из огнеупорной керамики для размещения реагирующих химических агентов или химических веществ.

Конструкции для раздачи расплавленного металла такого типа, какой изображен на фиг.3, но с внутренними средствами нагрева, были построены с использованием стержней 22 из оксида алюминия, нержавеющей стали и инконеля. Сосуды подвергали нагреву до температуры на концах стержней приблизительно 800-850°С, при этом к стержням прикладывали сжимающую нагрузку величиной минимум 454 кг. При указанных высоких температурах и инконель и нержавеющая сталь продемонстрировали высокотемпературную ползучесть, однако они были бы пригодны для конструкций с более низкими температурами, в которых не предусмотрен внутренний нагрев. Стержни из оксида алюминия не испытали никаких повреждений и не проявили ползучести даже при сжимающей нагрузке величиной 2268 кг. Стержни из оксида алюминия имеются в продаже и сравнительно недороги, что делает их предпочтительным вариантом для применения в механизмах поджатия.

Иной вариант осуществления изобретения изображен на фиг.4. В данном случае пара длинных стержней 12 жестко закреплена на пластине 14 одними своими торцами 24, а другими торцами 23 находится в контакте с сосудом 42. Стержни 12 могут быть выполнены из жесткого керамического материала или металла. Стержни проходят через отверстия 48 в металлическом кожухе 44 и изолирующем слое 45. С наружной стороны кожуха 44 предусмотрена опорная панель 70, которая жестко связана с кожухом или иной неподвижной опорой посредством перемычек 75. Стержни проходят через отверстия 71 в опорной панели к пластине 14, которую отделяет от опорной панели 70 небольшое расстояние. Болт 18 с увеличенной головкой 30 содержит набор тарельчатых пружинных шайб 15, расположенных между головкой 30 и пластиной 14. Болт проходит через отверстия в пластине 14 и панели 70 и содержит участок 72 с наружной резьбой. Многогранная гайка 20 с внутренней резьбой может вращаться на резьбовом участке 72 болта, однако она зафиксирована в неглубокой выемке 73 с обратной стороны панели 70. Выемка 73 имеет форму и размер, идентичные многогранной наружной поверхности гайки 20, так что гайка не может вращаться относительно панели 70. Когда болт 18 затягивают путем вращения головки подходящим инструментом, пластина 14 подтягивается к опорной панели 70, а стержни 12 задвигаются в кожух и поджимаются к сосуду 42, тем самым сжимая сосуд. Тарельчатые пружинные шайбы 15 также сжимаются и расплющиваются и прикладывают к болту 18 силу, действующую в наружном направлении. Если болт затянут правильным образом, то конструкция приспосабливается к тепловому расширению и сокращению сосуда 42 за счет небольшого осевого перемещения стержней 12 (что показано двунаправленными стрелками). Такое перемещение возможно, поскольку смещение в наружном направлении заставляет пружинные шайбы 15 дополнительно сжиматься между головкой 30 болта и пластиной 14, а смещение во внутреннем направлении заставляет пружинные шайбы разжиматься (т.е. принимать форму, более близкую к тарельчатой). Такое перемещение прекращается, когда пружинные шайбы оказываются полностью сжатыми или когда они полностью восстанавливают свою тарельчатую форму (когда они более не поджаты к пластине 14, а следовательно, и к стержням 12). В данном варианте осуществления изобретения тарельчатые шайбы 15, если требуется, можно заменить на спиральную пружинную шайбу или на короткую спиральную пружину.

Как и в предыдущем варианте осуществления изобретения, тарельчатые шайбы 15 и пластина 14 действуют в качестве поджимающего устройства между стержнями 12 и болтом 14. Указанное поджимающее устройство позволяет компенсировать ограниченное продольное перемещение стержней, и при этом не возникает необходимости в соответствующем продольном перемещении болта 18.

Стержни 12 могут быть выполнены из металла (например, нержавеющей стали), когда отсутствует активный нагрев сосуда 42, и могут быть выполнены из огнеупорной керамики (например, оксида алюминия), когда используется активный нагрев сосуда, например, посредством электрических элементов (не показаны), установленных в промежутке 46. В качестве еще одного варианта могут быть использованы составные стержни, содержащие керамику на одном конце (на конце, который находится в контакте с сосудом) и металл на другом конце. В этом случае цель состоит в том, чтобы избежать использования длинного столба из керамического материала, который может быть хрупким. Кроме того, как и в предыдущих вариантах осуществления, в качестве стержней 12 можно использовать керамический стержень, усиленный металлической трубкой.

Как отмечалось, стержни 12 установлены парами, чтобы избежать наклона пластины 14 при приложении силы. С другой стороны, можно было бы использовать и одиночный центральный стержень 12 с болтами 18, установленными с каждой стороны пластины 14. Тогда затяжку болтов пришлось бы производить одновременно и на одинаковую величину, чтобы избежать чрезмерного наклона пластины.

Изобретение относится к поджимающему механизму со стержнем, предназначенному для приложения усилия к огнеупорному сосуду, расположенному внутри наружного металлического кожуха. Механизм содержит жесткий удлиненный стержень, у которого имеются первый и второй противолежащие торцы, болт с резьбой, примыкающий к указанному первому из противолежащих торцов удлиненного стержня, и поджимающее устройство, функционально расположенное между указанным удлиненным стержнем и болтом. Усилие сжатия, прикладываемое со стороны болта к удлиненному стрежню, передается через поджимающее устройство, выполненное с возможностью компенсации ограниченных продольных перемещений удлиненного стержня, что устраняет необходимость в соответствующих продольных перемещениях болта. Раскрыты также конструкция стержня, образующая элемент механизма, и устройство для содержания металла, содержащее сосуд, который поддерживается и поджимается при помощи по меньшей мере одного из таких механизмов. Обеспечивается жесткая опора для огнеупорного сосуда, компенсация теплового расширения, снижение роста трещин. 3 н. и 43 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Поджимающий механизм с изолирующим стержнем для поджатия огнеупорного сосуда, расположенного внутри металлического кожуха сосуда для размещения расплавленного металла, к стенкам металлического кожуха за счет приложения усилия поджатия к огнеупорному сосуду, содержащий жесткий удлиненный стержень, имеющий первый и второй противолежащие торцы, болт с резьбой, примыкающий к первому из противолежащих торцов удлиненного стержня, и поджимающее устройство, расположенное между удлиненным стержнем и болтом и выполненное с возможностью передачи через него усилия, прикладываемого со стороны болта к удлиненному стержню, при этом поджимающее устройство выполнено с возможностью компенсации продольных перемещений удлиненного стержня.

2. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что поджимающее устройство содержит по меньшей мере одну тарельчатую пружинную шайбу, расположенную между болтом и одним из противолежащих торцов удлиненного стержня.

3. Механизм по п. 2, отличающийся тем, что по меньшей мере одна тарельчатая пружинная шайба заключена в держатель, имеющий осевое отверстие для прохода одного конца болта для контакта с указанной по меньшей мере одной тарельчатой пружинной шайбой.

4. Механизм по п. 3, отличающийся тем, что держатель содержит пластину, расположенную между указанной по меньшей мере одной тарельчатой пружинной шайбой и первым торцом жесткого удлиненного стержня.

5. Механизм по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что жесткий удлиненный стержень выполнен из металла.

6. Механизм по п. 5, отличающийся тем, что указанный металл выбран из группы, включающей нержавеющую сталь, титан и сплавы на основе Ni-Cr.

7. Механизм по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что жесткий удлиненный стержень содержит огнеупорный теплоизолирующий материал, примыкающий ко второму из противолежащих торцов стержня.

8. Механизм по п. 7, отличающийся тем, что жесткий удлиненный стержень выполнен частично из огнеупорного теплоизолирующего материала, а частично из металла.

9. Механизм по п. 7, отличающийся тем, что жесткий удлиненный стержень полностью выполнен из огнеупорного теплоизолирующего материала и закреплен во внешней металлической трубке, которая заканчивается вблизи второго из противолежащих торцов стержня.

10. Механизм по п. 9, отличающийся тем, что стержень приклеен к металлической трубке посредством термостойкого клея.

11. Механизм по п. 7, отличающийся тем, что огнеупорный теплоизолирующий материал является керамическим материалом, выбранным из группы, включающей оксид алюминия, двуокись циркония, плавленый кварц, муллит, титанат алюминия и стеклокерамику, поддающуюся станочной обработке.

12. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что он содержит гайку с резьбой, охватывающей болт с резьбой, причем резьба гайки соответствует резьбе болта.

13. Механизм по п. 12, отличающийся тем, что он содержит скобу, которая захватывает гайку и препятствует вращению и осевому перемещению последней в направлении от жесткого удлиненного стержня.

14. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что жесткий удлиненный стержень имеет поперечное сечение, форма которого выбрана из группы фигур, включающей круг, овал, треугольник, квадрат, прямоугольник и многоугольник.

15. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что он содержит пару жестких удлиненных стержней, причем поджимающее устройство выполнено с возможностью одновременного воздействия на стержни указанной пары.

16. Изолирующий стержень поджимающего механизма для поджатия огнеупорного сосуда, расположенного внутри металлического кожуха сосуда для размещения расплавленного металла, к стенкам металлического кожуха, обеспечивающий приложение усилия поджатия к огнеупорному сосуду, при этом стержень выполнен удлиненным и жестким и имеет первый и второй противолежащие торцы, причем указанный стержень снабжен огнеупорным теплоизолирующим материалом, примыкающим к указанному второму из противолежащих торцов стержня.

17. Стержень по п. 16, отличающийся тем, что он выполнен частично из указанного огнеупорного теплоизолирующего материала, а частично из металла.

18. Стержень по п. 16, отличающийся тем, что удлиненный жесткий стержень полностью выполнен из огнеупорного теплоизолирующего материала и закреплен во внешней металлической трубке, которая заканчивается вблизи второго из противолежащих торцов стержня.

19. Стержень по п. 18, отличающийся тем, что стержень приклеен к металлической трубке посредством термостойкого клея.

20. Стержень по любому из пп. 16-19, отличающийся тем, что огнеупорный теплоизолирующий материал является керамическим материалом, выбранным из группы, включающей оксид алюминия, двуокись циркония, плавленый кварц, муллит, титанат алюминия и стеклокерамику, поддающуюся станочной обработке.

21. Сосуд для размещения расплавленного металла, содержащий металлический кожух, расположенный внутри него огнеупорный сосуд, отстоящий от внутренних поверхностей металлического кожуха с возможностью поджатия его к стенкам металлического кожуха, и по меньшей мере один поджимающий механизм с изолирующим стержнем для поджатия упомянутого огнеупорного сосуда к стенкам металлического кожуха, обеспечивающий приложение усилия поджатия к упомянутому огнеупорному сосуду, при этом поджимающий механизм с изолирующим стержнем содержит жесткий удлиненный стержень, имеющий первый и второй противолежащие торцы, причем второй торец находится в контакте с огнеупорным сосудом внутри кожуха, болт с резьбой, по меньшей мере частично выступающий наружу металлического кожуха и примыкающий к первому из противолежащих торцов удлиненного стержня, и поджимающее устройство, расположенное между удлиненным стержнем и болтом и выполненное с возможностью передачи через него усилия, прикладываемого со стороны болта к удлиненному стержню, при этом поджимающее устройство выполнено с возможностью компенсации продольных перемещений удлиненного стержня.

22. Сосуд по п. 21, отличающийся тем, что поджимающее устройство содержит по меньшей мере одну тарельчатую пружинную шайбу, расположенную между болтом и одним из противолежащих торцов удлиненного стержня.

23. Сосуд по п. 22, отличающийся тем, что по меньшей мере одна тарельчатая пружинная шайба заключена в держатель, имеющий осевое отверстие для прохода одного конца болта для обеспечения контакта с указанной по меньшей мере одной тарельчатой пружинной шайбой.

24. Сосуд по п. 23, отличающийся тем, что держатель содержит пластину, расположенную между указанной по меньшей мере одной тарельчатой пружинной шайбой и первым торцом жесткого удлиненного стержня.

25. Сосуд по любому из пп. 21-24, отличающийся тем, что жесткий удлиненный стержень выполнен из металла.

26. Сосуд по п. 25, отличающийся тем, что указанный металл выбран из группы, включающей нержавеющую сталь, титан и сплавы на основе Ni-Cr.

27. Сосуд по любому из пп. 21-24, отличающийся тем, что жесткий удлиненный стержень содержит огнеупорный теплоизолирующий материал, примыкающий к указанному второму из противолежащих торцов стержня.

28. Сосуд по п. 27, отличающийся тем, что жесткий удлиненный стержень выполнен частично из огнеупорного теплоизолирующего материала, а частично- из металла.

29. Сосуд по п. 27, отличающийся тем, что жесткий удлиненный стержень полностью выполнен из огнеупорного теплоизолирующего материала и закреплен во внешней металлической трубке, которая заканчивается вблизи указанного второго из противолежащих торцов стержня.

30. Сосуд по п. 29, отличающийся тем, что между сосудом и слоем изолирующего материала, примыкающего к внутренней поверхности кожуха, имеется незаполненный промежуток, при этом внешняя металлическая трубка заканчивается в указанном слое изолирующего материала вблизи незаполненного промежутка.

31. Сосуд по п. 30, отличающийся тем, что внешняя металлическая трубка заканчивается вблизи указанного промежутка на расстоянии до 5 см.

32. Сосуд по любому из пп. 29-31, отличающийся тем, что внешняя металлическая трубка отстоит от второго торца стержня на расстоянии до 7,6см.

33. Сосуд по любому из пп. 29-31, отличающийся тем, что стержень приклеен к трубке посредством термостойкого клея.

34. Сосуд по п. 27, отличающийся тем, что огнеупорный теплоизолирующий материал является керамическим материалом, выбранным из группы, включающей оксид алюминия, двуокись циркония, плавленый кварц, муллит, титанат алюминия и стеклокерамику, поддающуюся станочной обработке.

35. Сосуд по п. 21, отличающийся тем, что он содержит гайку с резьбой, охватывающей болт с резьбой, причем резьба гайки соответствует резьбе болта.

36. Сосуд по п. 35, отличающийся тем, что он содержит скобу, прикрепленную к металлическому кожуху, которая захватывает гайку и препятствует вращению и осевому перемещению последней в направлении от жесткого удлиненного стержня.

37. Сосуд по п. 21, отличающийся тем, что жесткий удлиненный стержень имеет поперечное сечение, форма которого выбрана из группы фигур, в которую входят круг, овал, треугольник, квадрат, прямоугольник и многоугольник.

38. Сосуд по п. 21, отличающийся тем, что по меньшей мере один поджимающий механизм со стержнем выполнен с возможностью приложения к сосуду усилия до 2268 кг.

39. Сосуд по п. 21, отличающийся тем, что он содержит множество поджимающих механизмов со стержнем.

40. Сосуд по п. 39, отличающийся тем, что огнеупорный сосуд имеет удлиненную форму, при этом указанные механизмы контактируют с огнеупорным сосудом в точках, расположенных вдоль огнеупорного сосуда и отстоящих друг от друга на расстоянии 3,8-38,1 см.

41. Сосуд по п. 21, отличающийся тем, что он содержит средства нагрева для нагревания огнеупорного сосуда.

42. Сосуд по п. 21, отличающийся тем, что огнеупорный сосуд имеет удлиненную форму и имеет канал для передачи металла, проходящий в продольном направлении от одного торца огнеупорного сосуда до противоположного торца.

43. Сосуд по п. 21, отличающийся тем, что огнеупорный сосуд имеет удлиненный канал для передачи расплавленного металла, причем указанный канал содержит фильтр для металла.

44. Сосуд по п. 21, отличающийся тем, что огнеупорный сосуд имеет внутренний объем для размещения расплавленного металла, при этом в указанный внутренний объем выступает по меньшей мере одно устройство для дегазации металла.

45. Сосуд по п. 21, отличающийся тем, что огнеупорный сосуд представляет собой тигель, имеющий внутренний объем для размещения реагирующих химических агентов.

46. Сосуд по п. 21, отличающийся тем, что он содержит пару жестких удлиненных стержней, причем поджимающее устройство выполнено с возможностью одновременного воздействия на стержни указанной пары.