Вентилируемый стопорный стержень с функцией измерения температуры Российский патент 2022 года по МПК B22D41/18 

Область техники

Настоящее изобретение относится к технической области непрерывной разливки металлов и, более конкретно, к вентилируемому стопорному стержню с функцией измерения температуры.

Уровень техники

Непрерывная разливка является ключевой технологией в производстве стали, при которой расплавленная жидкая сталь превращается в отливки. Двумя основными проблемами при непрерывной разливке были контроль расхода и измерение температуры.

Расплавленная сталь течет из промежуточного ковша для непрерывной разливки и поступает в кристаллизатор непрерывной разливки через разливочный канал для отверждения. Температура расплавленной стали на выходе промежуточного ковша является наиболее информативной температурой для контроля степени перегрева и качества застывания расплавленной стали во всем промежуточном ковше.

Уровень жидкой стали в кристаллизаторе является ключевым параметром, который влияет на качество отливок, он регулируется расходом жидкой стали, вытекающей из промежуточного ковша. Расход расплавленной стали контролируется путем регулирования зазора между стопорным стержнем и разливочным каналом.

В процессе непрерывной разливки расплавленная сталь обычно содержит включения шлака, в частности, раскисленная сталь, такая как сталь с высоким содержанием алюминия, имеет высокое содержание шлаковых включений. Вред от включений шлака заключается в следующем: с одной стороны, шлаковые включения в жидкой стали легко накапливаются в разливочном канале на нижнем конце стопорного стержня. Когда накапливается слишком много шлаковых включений, разливочный канал забивается, что влияет на контроль расхода жидкой стали. Обычно забивку предотвращают путем продувки аргоном нижнего конца стопорного стержня. С другой стороны, если шлаковые включения попадают в кристаллизатор с расплавленной сталью и затвердевают в отливках вместе с расплавленной сталью, образуются дефекты отливок. Подача аргона на нижний конец стопорного стержня приводит к всплыванию шлаковых включений, что облегчает их удаление. Следовательно, необходимо решить проблемы измерения температуры на выходе промежуточного ковша для непрерывной разливки, предотвращения забивки разливочного канала и удаления шлаковых включений из расплавленной стали.

Для решения проблемы измерения температуры авторы китайских патентов CN1936524A и CN101337273A установили термопары или инфракрасные датчики температуры в воздухонепроницаемых стопорных стержнях для осуществления измерения температуры. Это техническое решение имеет две проблемы: во-первых, головка стопорного стержня выполнена в виде толстостенной конструкции для предотвращения задиров, что вызывает значительный гистерезис отклика датчика измерения температуры и затрудняет удовлетворение требований технического контроля. Во-вторых, это техническое решение может быть использовано только для стопорного стержня без отверстия для воздуха. Когда стопорный стержень имеет отверстие для воздуха, головка стержня охлаждается за счет продувки аргоном, и температуру расплавленной стали нельзя измерить.

Итак, можно сделать вывод, что существующие технические подходы затрудняют решение проблем измерения температуры на выходе промежуточного ковша для непрерывной разливки, предотвращения забивки разливочного канала и удаления шлаковых включений при управлении потоком.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является предложить вентилируемый стопорный стержень с функцией измерения температуры. Благодаря конструкции термочувствительного элемента и газовыпускных каналов в стопорном стержне реализуется функции быстрого измерения температуры на выходе промежуточного ковша, предотвращения забивки в разливочном канале и удаления шлаковых включений при одновременном контроле расхода расплавленной стали. В то же время конструкция газовыпускных каналов может выполнять функции устранения дымовых газов, образующихся во внутренней полости стопорного стержня, и очистки пути света для измерения температуры.

Для достижения вышеуказанной цели в настоящем изобретении используется следующее техническое решение:

Вентилируемый стопорный стержень с функцией измерения температуры для промежуточного ковша устройства непрерывной разливки, отличающийся тем, что стопорный стержень содержит тело стопора, головку стопора, устройство измерения температуры, соединительную трубу и газовыпускные каналы; причем тело стопора выполнено полым; верхний конец тела стопора соединен с соединительной трубой; нижний конец тела стопора соединен с головкой стопора; устройство измерения температуры выполнено для измерения температуры расплавленной стали и имеет трубчатую конструкцию с одним закрытым концом и одним открытым концом; открытый конец устройства измерения температуры соединен с головкой стопора и сообщен с внутренней полостью тела стопора; закрытый конец устройства измерения температуры выполнен выступающим из нижнего конца головки вентилируемого стопорного стержня; при этом предусмотрены газовыпускные каналы; входные концы газовыпускных каналов сообщены с внутренней полостью тела стопора или внутренней полостью головки стопора, а выходные концы газовыпускных каналов соединены с наружной поверхностью головки стопора и сообщены с внешней средой.

Газовыпускные каналы распределены вокруг устройства измерения температуры; входные концы газовыпускных каналов расположены выше открытого конца устройства измерения температуры, т.е., расстояние L₂ от входных концов газовыпускных каналов до открытого конца устройства измерения температуры больше или равно 0 мм, предпочтительно L₂ составляет 20-250 мм.

Расстояние L₃ от выходных концов газовыпускных каналов до внешней поверхности устройства измерения температуры больше или равно 5 мм.

Устройство измерения температуры представляет собой температурный датчик типа полости абсолютно черного тела; толщина стенок устройства измерения температуры составляет 2,0-10,0 мм, внутренний диаметр 10,0-30,0 мм; отношение длины L₁ закрытого конца устройства измерения температуры, выступающего из нижнего конца головки вентилируемого стопорного стержня, к внутреннему диаметру Φ₀ устройства измерения температуры составляет L₁/Φ₀= 1,0-15,0, предпочтительно 1,0-10,0; устройство измерения температуры выполнено с возможностью введения в расплавленную сталь как датчик температуры; и при нагревании устройства измерения температуры расплавленной сталью до достижения теплового равновесия, обеспечена возможность определения температуры расплавленной стали по принципу полости абсолютно черного тела, и испускания стабильной энергии теплового излучения.

Толщина стенок устройства измерения температуры составляет 2,0-10,0 мм, внутренний диаметр 10,0-30,0 мм, и отношение длины L₁ закрытого конца устройства измерения температуры, выступающего из нижнего конца головки вентилируемого стопорного стержня, к внутреннему диаметру Φ₀ устройства измерения температуры составляет L₁/Φ₀= 1,0-15,0, предпочтительно 1,0-10,0.

Длина закрытого конца устройства измерения температуры, выступающего из нижнего конца головки вентилируемого стопорного стержня, составляет 10,0-150,0 мм, предпочтительно 20,0-100,0 мм.

Устройство измерения температуры представляет собой металлокерамическую трубку, в частности, из сплавов Mo-ZrO₂, W-ZrO₂ или Mo-W-ZrO₂.

Вариант соединения тела стопора и соединительной трубы следующий: соединительная труба проходит в верхнюю часть внутренней полости тела стопора, и соединительная труба неподвижно соединена с телом стопора посредством установочной соединительной гайки.

Устройство измерения температуры, тело стопора, головка стопора и соединительная труба являются коаксиальными, и соединительная труба, внутренняя часть тела стопора, внутренняя часть головки стопора и газовыпускные каналы образуют вентиляционную структуру.

Настоящее изобретение имеет следующие преимущества и полезные эффекты:

1. Стержень стопора, предусмотренный в настоящем изобретении, подходит для продувки аргоном в процессе непрерывной разливки жидкой стали, может обеспечивать контроль расхода жидкой стали на выходе промежуточного ковша и непрерывное и быстрое измерение температуры жидкой стали в разливочном канале на выходе промежуточного ковша, а также может реализовывать функции продувки аргоном для предотвращения забивки, удаления шлаковых включений и выпуска дымовых газов из внутренней полости стопорного стержня для очистки пути света при измерении температуры.

2. При использовании в устройстве измерения температуры по настоящему изобретению особого материала можно уменьшить толщину стенок устройства измерения температуры. Тонкостенное устройство измерения температуры присоединяется снизу головки стопора для реализации непрерывного и быстрого измерения температуры расплавленной стали вблизи разливочного канала на выходе промежуточного ковша.

3. В настоящем изобретении предусмотрены газовыпускные каналы. С одной стороны, аргон продувается из газовыпускных каналов для удаления дымовых газов из внутренней полости стопорного стержня, чтобы очистить путь света для измерения температуры; с другой стороны, аргон, продуваемый из газовыпускных каналов, может предотвращать накопление включений в разливочном канале, чтобы предотвращать забивку и способствовать всплыванию включений в расплавленной стали.

Описание чертежей

Фиг. 1 показывает структурную схему предлагаемого настоящим изобретением вентилируемого стопорного стержня с функцией измерения температуры, и

фиг. 2 показывает схему процесса применения вентилируемого стопорного стержня с функцией измерения температуры в настоящем изобретении.

На фигурах: 1 - устройство измерения температуры; 2 - головка стопора; 3 - тело стопора; 4 - установочная соединительная гайка; 5 - соединительная труба; 6 - выпускной канал; 7 - промежуточный ковш; 8 - разливочный канал; 9 - расплавленная сталь.

Подробное описание

Далее настоящее изобретение будет описано подробнее в сочетании с чертежами и вариантами осуществления. Очевидно, что описанные варианты осуществления являются просто частью вариантов осуществления настоящего изобретения, но изобретение не ограничено этими вариантами осуществления.

Настоящее изобретение описывает вентилируемый стопорный стержень с функцией измерения температуры, какой показан на фигуре 1. Стопорный стержень содержит тело 3 стопора, головку 2 стопора, устройство 1 измерения температуры, соединительную трубу 5 и газовыпускные каналы 6; тело 3 стопора выполнено полым; соединительная труба проходит в верхний конец тела стопора и неподвижно соединяется с телом стопора посредством установочной соединительной гайки 4; нижний конец тела 3 стопора соединен с головкой 2 стопора; устройство 1 измерения температуры имеет трубчатую конструкцию с одним закрытым концом и одним открытым концом; открытый конец устройства 1 измерения температуры соединен с головкой 2 стопора и сообщается с внутренней полостью тела стопора; закрытый конец устройства 1 измерения температуры выходит через нижний конец головки стопора и открыт от головки стопора; при измерении температуры устройство 1 измерения температуры нагревается расплавленной сталью, которая испускает стабильное тепловое излучение по принципу измерения температуры в полости черного тела.

Конструкция головки стопора показана на фигуре 1. Верхняя часть головки стопора снабжена внутренней полостью. Открытый конец устройства 1 измерения температуры сообщается с внутренней полостью тела стопора через внутреннюю полость головки стопора.

Устройство 1 измерения температуры представляет собой датчик измерения температуры по типу полости черного тела. Устройство измерения температуры вводится в расплавленную сталь как датчик температуры. Когда устройство измерения температуры нагревается расплавленной сталью и достигается тепловое равновесие, температура расплавленной стали может определяться на основе принципа полости черного тела, и может испускаться стабильная энергия теплового излучения. Тепловое излучение принимается фотоэлектрической детекторной системой и преобразуется в электрический сигнал, который усиливается предусилителем и отправляется на процессор обработки сигналов. Процессор обработки сигналов, использующий в качестве ядра однокристальный компьютер, определяет текущую температуру расплавленной стали в соответствии с виртуальной теорией черного тела и отображает текущую температуру.

В предшествующем уровне техники головка стопора и датчик измерения температуры расплавленной стали по типу полости черного тела обычно выполнены из содержащих углерод огнеупорных материалов, таких, как карбид алюминия, карбид магния или карбид циркония. Согласно настоящему изобретению, головка стопора все еще выполнена из содержащего углерод огнеупорного материала, такого как карбид алюминия, карбид магния или карбид циркония; устройство 1 измерения температуры имеет трубчатую конструкцию, выполненную из металлокерамики; и материал может быть выбран из сплавов Mo-ZrO₂, W-ZrO₂ или Mo-W-ZrO₂, при этом объемное отношение содержаний металла и керамики составляет 0,6-1,5. По сравнению с содержащими углерод огнеупорными материалами, такими, как карбид алюминия, карбид магния или карбид циркония, использующимися в головке стопора, устройство измерения температуры, выполненное из материала по настоящему изобретению, имеет более высокую прочность, более высокую сжимаемость и повышенные характеристики защиты от истирания, и может удовлетворять требованиям к сроку службы, обеспечивая долговременную стойкость к истиранию и коррозии в разливочном канале выхода разливочного ковша благодаря меньшей толщине стенок. Тонкостенная конструкция устройства 1 измерения температуры является основой быстрого и непрерывного измерения температуры.

Толщина стенок устройства измерения температуры в настоящем изобретении предпочтительно составляет 2,0-10,0 мм, предпочтительно 2,5-7,0 мм, например, 2,5 мм, 3,0 мм, 6,0 мм и 7,0 мм.

Головка 2 стопора и тело 3 стопора могут быть выполнены из одного или из разных материалов. Например, головка стопора и тело стопора выполнены из материала, содержащего карбид алюминия, или головка стопора выполнена из материала, содержащего карбид магния, а тело стопора выполнено из материала, содержащего карбид алюминия.

Головка 2 стопора и тело 3 стопора могут быть сформировано как одно целое.

Совокупность газовыпускных каналов распределена вокруг устройства 1 измерения температуры, предпочтительно однородно распределена. Предпочтительно, количество газовыпускных каналов 6 может составлять 2, 5, 9, 30, 100, 150 и т.д.

В процессе непрерывной разливки во внутренней полости стопорного стержня могут создаваться дымовые газы под действием высокой температуры, и образованные дымовые газы блокируют путь света для измерения температуры. В конструкции стопорного стержня по настоящему изобретению устройство 1 измерения температуры, головка 2 стопора, тело 3 стопора и соединительная труба 5 выполнены коаксиальными, чтобы обеспечить совмещение пути света для измерения температуры, и соединительная труба 5, газовыпускные каналы 6, внутренняя часть тела 3 стопора и внутренняя часть головки 2 стопора сообщаются, образуя вентиляционную структуру. В этой конструкции при продувке аргоном для предотвращения забивки и удаления шлаковых включений дымовые газы, образующиеся во внутренней полости стопорного стержня, могут быть удалены для очистки пути света для измерения температуры.

При размещении выпускных каналов согласно настоящему изобретению необходимо стремиться к минимизации влияния продувки аргоном на распределение температур устройства измерения температуры.

Исходя из вышеуказанной цели, в настоящем изобретении приняты следующие конкретные меры:

Входные концы газовыпускных каналов 6 сообщаются с внутренней полостью тела 3 стопора или внутренней полостью головки 2 стопора; а выходные концы газовыпускных каналов 6 соединены с внешней поверхностью головки 2 стопора и сообщаются с наружной средой. Газовыпускные каналы предпочтительно проходят по радиусу.

Входные концы газовыпускных каналов 6 находятся выше открытого конца устройства 1 измерения температуры, то есть расстояние L₂ от входных концов выпускных каналов 6 до открытого конца устройства 1 измерения температуры больше 0 мм, и L₂ предпочтительно составляет 20-250 мм, например, 20 мм, 50 мм, 80 мм, 150 мм и 200 мм. В одном предпочтительном варианте сохраняется некоторое расстояние между входными концами газовыпускных каналов 6 и открытым концом устройства 1 измерения температуры, чтобы уменьшить влияние продувки аргоном на распределение температур устройства измерения температуры.

Расстояние L₃ от выходных концов газовыпускных каналов 6 до наружной поверхности устройства 1 измерения температуры больше или равно 5 мм, например, составляет 5 мм, 10 мм, 15 мм и 30 мм. Между выходными концами газовыпускных каналов 6 и устройством 1 измерения температуры поддерживается некоторое расстояние, чтобы уменьшить влияние продувки газовыпускных каналов аргоном на распределение температуры устройства 1 измерения температуры.

Длина открытой головки 2 стопора устройства 1 измерения температуры согласно настоящему изобретению составляет 10,0-150,0 мм, предпочтительно 20,0-100,0 мм, например, 20,0 мм, 30,5 мм, 50,7 мм, 80,0 мм и 100,0 мм.

Чтобы еще больше повысить точность измерения температуры, отношение длины устройства 1 измерения температуры к диаметру должно соответствовать определенным условиям, чтобы удовлетворить условиям изотермической герметизации в соответствии с принципом измерения температуры в полости черного тела. В настоящем изобретении отношение длины L₁ открытой части головки 2 стопора устройства 1 измерения температуры к внутреннему диаметру Φ₀ устройства 1 измерения температуры составляет L₁/Φ₀₌1,0-15,0, предпочтительно 1,0-10,0, например, L₁/Φ₀ составляет 1,5, 2,1, 2,8, 6,5, 8,3, 9,1 и 10,0.

Внутренний диаметр устройства измерения температуры составляет 10-30 мм, предпочтительно 15-25 мм, например, 15,0 мм, 17,5 мм, 22,0 мм и 25,0 мм.

Процесс использования вышеописанного стопорного стержня в настоящем изобретении показан на фигуре 2. При использовании в процессе стопорный стержень с функцией измерения температуры устанавливается выше разливочного канала 8 на выходе промежуточного ковша 7 для непрерывной разливки. Датчик температуры (не показан) определяет температуру расплавленной стали после расчета и анализа, принимая тепловую лучистую энергию, испущенную устройством 1 измерения температуры. Расход расплавленной стали регулируется путем контроля расстояния между головкой 2 стопора и разливочным каналом 8. Газовыпускные каналы 6, предусмотренные на теле 3 стопора и головке 2 стопора, продуваются аргоном, чтобы не допустить скопления шлаковых включений в разливочном канале, чтобы предотвратить забивку, облегчить всплывание включений в расплавленной стали и удалить дымовые газы, образованные во внутренней полости стопорного стержня, чтобы очистить путь света для измерения температуры.

Изобретение относится к непрерывной разливке металлов. Вентилируемый стопорный стержень с функцией измерения температуры для промежуточного ковша устройства непрерывной разливки содержит полое тело (3), головку (2), устройство (1) измерения температуры расплавленной стали, соединительную трубу (5) и газовыпускные каналы (6). Верхний конец тела (3) соединен с соединительной трубой (5), а нижний конец – с головкой. Устройство (1) выполнено трубчатым с одним закрытым и одним открытым концами, причем открытый конец соединен с головкой и сообщен с полостью тела, а закрытый конец выступает из нижнего конца головки. Входные концы каналов (6) сообщены с полостью тела или головки и расположены выше открытого конца устройства (1), причем расстояние L₂ от входных концов каналов до открытого конца устройства (1) больше 0, предпочтительно 20-250 мм. Выходные концы каналов (6) соединены с наружной поверхностью головки и сообщены с внешней средой, причем расстояние L₃ от выходных концов до внешней поверхности устройства (1) больше или равно 5 мм. Обеспечивается быстрое измерение температуры расплавленной стали, продувка аргоном для предотвращения забивки разливочного канала и удаления включений из стали, а также выпуск дымовых газов через внутреннюю полость стопорного стержня. 6 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Вентилируемый стопорный стержень с функцией измерения температуры для промежуточного ковша устройства непрерывной разливки, отличающийся тем, что стопорный стержень содержит тело (3) стопора, головку (2) стопора, устройство (1) измерения температуры, соединительную трубу (5) и газовыпускные каналы (6); причем тело (3) стопора выполнено полым; верхний конец тела стопора соединен с соединительной трубой (5); нижний конец тела (3) стопора соединен с головкой (2) стопора; устройство (1) измерения температуры выполнено для измерения температуры расплавленной стали и имеет трубчатую конструкцию с одним закрытым концом и одним открытым концом; открытый конец устройства (1) измерения температуры соединен с головкой (2) стопора и сообщен с внутренней полостью тела (3) стопора; закрытый конец устройства (1) измерения температуры выполнен выступающим из нижнего конца головки вентилируемого стопорного стержня; при этом предусмотрены газовыпускные каналы (6); входные концы газовыпускных каналов (6) сообщены с внутренней полостью тела (3) стопора или внутренней полостью головки (2) стопора, а выходные концы газовыпускных каналов (6) соединены с наружной поверхностью головки (2) стопора и сообщены с внешней средой,

при этом входные концы газовыпускных каналов (6) расположены выше открытого конца устройства (1) измерения температуры, таким образом расстояние L₂ от входных концов газовыпускных каналов (6) до открытого конца устройства (1) измерения температуры больше 0 мм, предпочтительно L₂ составляет 20-250 мм, и

расстояние L₃ от выходных концов газовыпускных каналов (6) до внешней поверхности устройства (1) измерения температуры больше или равно 5 мм.

2. Вентилируемый стопорный стержень с функцией измерения температуры по п. 1, отличающийся тем, что газовыпускные каналы (6) распределены вокруг устройства (1) измерения температуры.

3. Вентилируемый стопорный стержень с функцией измерения температуры по п. 1, отличающийся тем, что устройство (1) измерения температуры представляет собой температурный датчик типа полости абсолютно черного тела; толщина стенок устройства (1) измерения температуры составляет 2,0-10,0 мм, внутренний диаметр 10,0-30,0 мм; отношение длины L₁ закрытого конца устройства (1) измерения температуры, выступающего из нижнего конца головки вентилируемого стопорного стержня, к внутреннему диаметру Ф₀ устройства (1) измерения температуры составляет L₁/Ф₀=1,0-15,0, предпочтительно 1,0-10,0; устройство измерения температуры выполнено с возможностью введения в расплавленную сталь как датчик температуры; и при нагревании устройства измерения температуры расплавленной сталью до достижения теплового равновесия обеспечена возможность определения температуры расплавленной стали по принципу полости абсолютно черного тела и испускания стабильной энергии теплового излучения.

4. Вентилируемый стопорный стержень с функцией измерения температуры по п. 1, отличающийся тем, что длина закрытого конца устройства (1) измерения температуры, выступающего из нижнего конца головки вентилируемого стопорного стержня, составляет 10,0-150,0 мм, предпочтительно 20,0-100,0 мм.

5. Вентилируемый стопорный стержень с функцией измерения температуры по п. 1, отличающийся тем, что устройство (1) измерения температуры представляет собой металлокерамическую трубку, изготовленную из сплавов Mo-ZrO₂, W-ZrO₂ или Mo-W-ZrO₂.

6. Вентилируемый стопорный стержень с функцией измерения температуры по п. 1, отличающийся следующим вариантом соединения тела (3) стопора и соединительной трубы (5): соединительная труба проходит в верхнюю часть внутренней полости тела стопора и соединительная труба неподвижно соединена с телом стопора посредством установочной соединительной гайки (4).

7. Вентилируемый стопорный стержень с функцией измерения температуры по п. 1, отличающийся тем, что устройство (1) измерения температуры, тело (3) стопора, головка (2) стопора и соединительная труба (5) являются коаксиальными, и соединительная труба (5), внутренняя часть тела (3) стопора, внутренняя часть головки (2) стопора и газовыпускные каналы (6) образуют вентиляционную структуру.