Патент на изобретение №2172228
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СОПЛОВОЙ УЗЕЛ С РАСПРЕДЕЛИТЕЛЕМ ИНЕРТНОГО ГАЗА
(57) Реферат: Изобретение относится к разливке металлов и касается соплового узла, используемого, в частности, со стопорным стержнем. Сопловой узел содержит огнеупорный корпус, имеющий верхний и нижний участки. Через верхний и нижний участки проходит отверстие, имеющее приемный и выпускной концы для приема и выпуска расплава металла. Верхний участок корпуса сопла окружает газораспределительное средство для распределения инертного газа. Стенки отверстия покрывает гильза из препятствующего протеканию газа огнеупорного материала. Гильза формирует участок седла на верхнем участке отверстия. Наружная поверхность верхнего участка окружена металлическим кожухом. Инертный газ, проводимый к верхнему газопроницаемому участку корпуса посредством газораспределительного устройства, направляется гильзой и металлическим кожухом таким образом, что он течет преимущественно через верхнюю кромку верхнего участка. Полученный в результате этого поток инертного газа экранирует участок седла отверстия от воздействия кислорода окружающей среды, предотвращая таким образом накопление отложений окиси алюминия на участке седла, которые могут помешать упорному стержню регулировать поток расплава металла. 3 с. и 20 з. п. ф-лы, 5 ил. Изобретение относится, главным образом, к огнеупорным сопловым узлам, и в частности относится к соплу, используемому в комбинации с упорным стержнем, имеющим распределитель инертного газа для предотвращения нежелательного накопления отложений окиси алюминия вокруг зоны, в которой над отверстием сопла располагается стержень. Из уровня техники известны сопла для регулирования течения расплава металла, например, стали. Такие сопла часто используются в комбинации с боковыми скользящими затворами для регулирования течения потока жидкой стали в процессе производства стали. В семидесятые годы раскисленные алюминием стали вследствие их желательных металлургических свойств становятся одними из наиболее распространенных продуктов сталелитейной промышленности. К сожалению, в процессе изготовления таких сталей происходит нежелательное отложение окиси алюминия и других огнеупорных соединений на всей внутренней поверхности отверстия сопла. Установлено, что если этого не предотвратить, то эти отложения в конечном счете полностью заблокируют сопловой узел, используемый в процессе изготовления таких сталей. Для решения проблемы отложений окиси алюминия были разработаны сопловые узлы, имеющие пористые газопроводящие огнеупорные элементы. Примеры таких сопел описаны в патентах США N 4360190, N 5100035 и N 5137189. В процессе работы инертный газ /например, аргон/ подается под давлением через пористые огнеупорные элементы, определяющие всю или некоторую часть поверхности отверстия для пропуска металла соплового узла. Полученный поток небольших пузырьков аргона через боковые стенки отверстия эффективно предотвращает или, по крайней мере, замедляет отложение нежелательной окиси алюминия в этой зоне. Хотя установлено, что такие известные сопловые узлы удовлетворительно работают в тех случаях, когда последние используются в сочетании со скользящими затворами, авторы настоящего изобретения заметили, что газопроницаемые пористые элементы не предотвращают в достаточной степени образование нежелательных отложений /настылей/ вокруг верхней кромки таких сопловых узлов при использовании последних в комбинации с упорными стержнями для регулирования потока расплава стали. Это является существенным недостатком, так как локализованные на верхней кромке настыли могут в значительной степени свести к нулю способность упорного стержня точно регулировать поток расплава стали через сопловой узел. После проведения обширных исследований относительно вышеупомянутой проблемы было установлено, что образование нежелательных отложений обусловлено пониженным давлением, создаваемым в полости отверстия сопла при подъеме или опускании упорного стержня над верхней кромкой соплового узла. Полученное пониженное давление обуславливает течение аргона или другого инертного газа только по боковым стенкам отверстия, а также подсасывание воздуха через сопло в направлении отверстия, где кислород воздуха реагирует с алюминием в стали с образованием окиси алюминия. Совершенно очевидно, что существует потребность в усовершенствованном сопловом узле с распределителем инертного газа, способном эффективно проводить инертный газ через верхнюю кромку узла для предотвращения образования отложений /настылей/ из окиси алюминия в зоне, в которой сам упорный стержень помещается над соплом. В идеале такое сопло должно было бы создавать барьер из газообразного аргона, предотвращающий контактирование воздуха с потоком стали над участком поверхности сопла, определяющим зону помещения упорного стержня. Сопловой узел также должен обладать продолжительным сроком службы, при этом его изготовление должно быть легким и недорогим. Наконец было бы желательным, чтобы конкретный газораспределитель можно было повторно устанавливать на сопла известной конструкции с тем, чтобы преимущества настоящего изобретения можно было реализовать без необходимости полной реконструкции существующего сопла. Краткое описание изобретения Настоящее изобретение относится к сопловому узлу для использования в комбинации с упорным стержнем для регулирования потока расплава стали, содержащему распределитель инертного газа для предотвращения образования нежелательных отложений окиси алюминия при помещении упорного стержня на сопловой узел. Сопловой узел содержит корпус, имеющий верхний участок, выполненный из огнеупорного материала с пористостью по меньшей мере 15% для пропускания газа, нижний участок, выполненный из огнеупорного материала, и отверстие для приема и выпуска потока расплава металла, при этом приемный конец отверстия окружен верхним участком корпуса сопла и имеет участок седла для герметичного зацепления со стопорным стержнем, газораспределительное средство, окружающее верхний участок для проведения потока, находящегося под давлением инертного газа, через верхний участок, и средство облицовки отверстия для блокирования течения инертного газа через стенки отверстия в зоне верхнего участка сопла и формирования участка седла для приема стопорного стержня с обеспечением прохождения инертного газа, по существу, исключительно через верхнюю кромку верхнего участка и экранирования участка седла от воздействия кислорода окружающей среды. Во втором варианте огнеупорный материал, образующий верхний участок, покрывает гильза, пористость которой меньше, чем у огнеупорного материала. Пониженное вследствие течения расплава металла через отверстие сопла давление не сможет отвести инертный газ через непористую гильзу и в зону пониженного давления. В других вариантах настоящего изобретения сопловой узел содержит корпус сопла, верхний участок которого, так же как описано выше, выполнен из керамического материала с умеренной пористостью. Хотя большая часть наружной поверхности корпуса сопла покрыта газопроницаемым листовым материалом, как например, металлической оболочкой, самый верхний участок корпуса сопла остается открытым. Наконец, металлическую оболочку окружает набивка из пористого огнеупорного материала. Распределитель инертного газа в форме кольцевого трубопровода окружает оболочку в верхней части корпуса сопла. Кольцевой трубопровод имеет множество газопропускных отверстий для выпуска и распределения инертного газа через набивочный материал и вокруг верхнего конца корпуса сопла. Пониженное давление, создающееся при прохождении расплава стали через отверстие сопла, вытягивает инертный газ через открытый самый верхний участок корпуса сопла с умеренной пористостью и над участком седла гильзы и таким образом предотвращает проникновение воздуха к самой верхней части корпуса сопла. В первых двух вариантах соплового узла препятствующая продвижению газа гильза из огнеупорного материала покрывает всю или почти всю донную часть отверстия, а также его верхнюю часть. Нижний участок корпуса сопла, предпочтительнее, выполнен из прессованного огнеупора с низкой проницаемостью, тогда как верхний его участок выполнен из прессованного огнеупора с высокой проницаемостью. Предусмотрен источник находящегося под давлением инертного газа, который, предпочтительно, содержит газопровод, выпускной конец которого оканчивается в кольцевой канавке, выполненной в пористом огнеупорном материале, образующем верхнюю часть корпуса сопла. Канавка может быть выполнена либо вокруг боковой стороны, либо вокруг донной части пористого огнеупорного материала. Нижняя часть корпуса сопла может быть выполнена из слабоцементированной окиси алюминия, которую для ускорения изготовления соплового узла можно изготавливать путем литья. Использование такого отливаемого огнеупора также облегчает установку трубопровода от источника находящегося под давлением инертного газа. В третьем варианте изобретения верхняя, и нижняя части корпуса сопла могут быть выполнены из высокоцементированной окиси алюминия или другого огнеупора с умеренной газопроницаемостью. Распределитель инертного газа может быть выполнен в форме кольцевого трубопровода или в форме участка, выполненного в виде металлической оболочки с двойными стенками. В обоих случаях газопропускной канал ориентирован, предпочтительнее, в нисходящем направлении для сведения к минимуму закупоривания окружающим материалом. Во всех вариантах настоящего изобретения газопропускной и газораспределительный участки соплового узла позволяют пропускать количество инертного газа через или вокруг верхнего участка отверстия, достаточное для экранирования участка седла отверстия от атмосферного кислорода, который может привести к образованию нежелательных отложений /настылей/ окиси алюминия. Краткое описание чертежей Фиг. 1 изображает вид сбоку в поперечном разрезе соплового узла согласно настоящему изобретению в комбинации с упорным стержнем; фиг. 2 – второй вариант настоящего изобретения, в котором выпускной конец трубопровода от источника находящегося под давлением газа иначе установлен в пористой верхней части корпуса сопла; фиг. 3 – вид сбоку в поперечном разрезе третьего варианта соплового узла согласно изобретению, в котором используется газораспределитель, окружающий верхний конец корпуса сопла; фиг. 4 – вид в перспективе газораспределителя типа трубопровода, который может быть использован во втором варианте настоящего изобретения; фиг. 5 – вид сбоку в поперечном разрезе /частично/ варианта выполнения настоящего изобретения, в котором распределитель инертного газа выполнен в виде участка с двойными стенками из материала кожуха. Подробное описание предпочтительного варианта Согласно фиг. 1 сопловой узел 1 особенно хорошо приспособлен для использования в комбинации с концом 3 упорного стержня для регулирования потока расплава металла, как например, стали. Этот первый вариант соплового узла 1 содержит корпус 7 сопла, верхний участок 9 которого выполнен в виде кольца из пористого газопроницаемого огнеупорного материала. В предпочтительном варианте кольцевой верхний участок 9 выполнен из прессованного высокопроницаемого огнеупора /например, окиси магния/, имеющего пористость от 25 до 30%. Верхний участок 9 заканчивается верхней кромкой 10. Кроме того, корпус 7 сопла содержит нижний участок 11, выполненный из отливаемого огнеупора из слабоцементированной окиси алюминия, имеющего пористость от 15 до 20%. Вдоль центральной оси обычно трубчатого корпуса 7 сопла проходит цилиндрическое отверстие 13. Как будет более подробно описано далее, соосно верхнему участку 15 отверстия 13 размещена, выполняющая функцию облицовки, преимущественно, относительно непроницаемая гильза 40, тогда как самый нижний участок 17 ограничивается преимущественно относительно непористым нижним участком 11 корпуса 7 сопла. Отверстие 13 пропускает поток расплава металла, например, стали, который поступает через его верхний участок 15 и выпускается через его нижнюю часть 17. Для пропускания потока аргона через верхний кольцевой участок 9 корпуса 7 сопла предусмотрен источник 20 газа под давлением. Источник 20 газа включает в себя трубопровод 22, проходящий вертикально через нижний и верхний участки 11, 9 корпуса 7 сопла, как это видно из чертежа. В предпочтительном варианте трубопровод 22 может быть выполнен либо из углеродистой стали, либо из нержавеющей стали. Трубопровод 22 имеет выпускной конец 24 и впускной конец 25. Выпускной конец 24 расположен внутри отверстия 26 в кольцевом пористом верхнем участке 9 корпуса 7 сопла, при этом отверстие 26 сообщено с кольцевой канавкой 28, окружающей верхний участок 9. Впускной конец 25 трубопровода 22 соединен с боковым отводом соединения 30. Для соединения трубопроводов 22 и 32 с коленчатым соединением 30 использованы паяные соединения 34 a, b, гарантирующие получение соединений, защищенных от протечки. Питающий трубопровод 32 соединен с емкостью 36 находящегося под давлением аргона /показана схематически/. Кроме того, сопловой узел 1 содержит трубчатую внутреннюю гильзу 40 из относительно слабопроницаемого материала для облицовки всего верхнего участка 15 и значительной части нижнего участка 17 отверстия 13. Внутренняя гильза 40, предпочтительно, выполнена из прессованного огнеупора, например, окиси магния, с пористостью от около 13 до 14%. На своем верхнем конце гильза 40 имеет воронкообразный вход 43, образующий в отверстии 13 зону седла для упорного стержня 5, и также служащий в качестве воронки для пропускания расплава стали или другого металла в верхнюю часть 15 отверстия 13. Геометрия скругленных участков конца 13 упорного стержня 5 и воронкообразного входа 43 внутренней гильзы 40 обеспечивает герметичное зацепление между этими двумя элементами при опускании конца 3 упорного стрежня 5 в позицию, показанную пунктирной линией. Нижний участок 44 внутренней гильзы 40, по существу, определяет внутреннюю поверхность отверстия 13. Наружная поверхность внутренней гильзы 40 имеет одну или более стопорящихся канавок 46, способствующих закреплению гильзы 40 в нижней части 11 корпуса 7 сопла, при литье нижнего участка 11 вокруг гильзы таким образом, как это коротко описано ниже. Металлический кожух 50 окружает и защищает наружную поверхность корпуса 7 сопла. Во всех предпочтительных вариантах металлический кожух изготовлен из стали. Верхний конец металлического кожуха 50 оканчивается как раз под верхней кромкой верхнего участка 9 корпуса 7 сопла. Оставляя незащищенным кольцевой участок 51, тогда как нижний конец кожуха выступает наружу для зацепления с монтажным фланцем 52, образующим дно корпуса 7 сопла. На фиг. 2 изображен второй вариант соплового узла 60 согласно настоящему изобретению, который во всех отношениях является таким же самым, как и первый вариант, за исключением того, как выходной конец 24 трубопровода 22 сообщается с верхним участком 9 корпуса 7 сопла. В этом варианте соплового узла 60 отверстие 26 и кольцевая канавка 28 заменены кольцевой канавкой 61, выполненной на донной поверхности верхнего участка 9. Выпускной конец 24 газопропускного трубопровода 22 сообщается с этой канавкой 61 так, как это изображено на чертеже. Этот второй вариант настоящего изобретения проще в изготовлении, так как он не требует, чтобы выпускной конец 24 газопропускного трубопровода 22 размещался внутри отверстия 26 в верхней части корпуса 7 сопла до литья нижнего участка 11. Вместо этого выпускной конец 24 может помещаться в любой точке внутри кольцевой канавки 61. Конструкция обоих вариантов первого и второго настоящего изобретения облегчает изготовление соплового узла 1. После изготовления верхней части 9 корпуса 7 сопла и внутренней гильзы 40, их соединяют друг с другом и помещают в металлический кожух 50, после чего кожух 50 переворачивают. Затем газопропускной трубопровод 22 размещают либо в отверстии 26, либо в кольцевой канавке 61, в зависимости от того, какой вариант соплового узла должен быть изготовлен. Наконец отливают нижнюю часть 11 корпуса 7 сопла, используя наружную поверхность гильзы 40 и внутреннюю поверхность кожуха 50 в качестве литейной формы. Другие элементы формы /не показаны/ окружают нижний фланец кожуха 50 таким образом, что монтажный фланец 52 может быть отлит заодно целое с корпусом 7 сопла. При работе верхний конец соплового узла 1 может быть помещен в отверстие, выполненное в покрывающем блоке 54 после того, как корпус 7 сопла окружен материалом набивки /на фиг. 1 и 2 не показан/. Затем через трубопроводы 32 и 22 пропускают аргон под давлением в кольцевую канавку 28 или 61 в пористом верхнем участке 9 корпуса 7 сопла, в зависимости от того, какой вариант изобретения используется. Расход газа в этом примере должен составлять от 5 до 15 литров в минуту /или 10-30 стандартных кубических футов в час/. Во всех случаях расход должен быть достаточно высоким для того, чтобы гарантировать адекватное экранирование кромки 10 и зоны седла воронкообразного входа 43 от окружающего кислорода, но достаточно низким для того, чтобы предотвратить загрязнение потока расплава металла пузырьками газа. Вследствие относительно низкой проницаемости внутренней гильзы 40, металлического кожуха 50 и литого материала, образующего нижнюю часть 11, аргон вынужден выходить из кольцевого верхнего участка 9 корпуса 7 сопла только через верхнюю кромку 10, как это показано на чертеже. Непрерывный поток аргона смещает окружающий кислород и предотвращает образование нежелательных отложений окиси алюминия или других огнеупорных соединений поверх этих зон при возвратно-поступательном движении упорного стержня 5 внутри соплового узла 1 для регулирования потока жидкой стали или другого металла. На фиг. 3 и 4 изображены третий вариант выполнения соплового узла 62 настоящего изобретения и используемый в нем распределитель 63 инертного газа. В этом варианте верхний и нижний участки 9,11 корпуса 7 сопла выполнены из слабоцементированной литой окиси алюминия того же типа, из которой выполнен нижний участок 11 корпуса 7 сопла в описанных выше вариантах. Хотя такая окись алюминия не настолько пористая, как описанный выше огнеупор, образующий верхний участок 9 первого и второго вариантов, важно понимать, что она все же достаточно газопроницаема и имеет пористость от 15 до 20%, обычнее, около 18%. Распределитель 63 инертного газа содержит кольцевую газораспределительную головку 64, которую лучше видно на фиг. 4. В дне трубчатого кольца, образующего головку 64, выполнено множество газопропускных отверстий 65, расположенных на равных расстояниях друг от друга. Головка 64 соединена заодно целое с проходящим вертикально питающим трубопроводом 66. Питающий трубопровод 66 соединен коленчатым соединением 67 с ориентированным горизонтально газопроводом 68, который в конечном счете соединен с емкостью 36 для находящегося под давлением аргона. Как указывалось ранее, наружная поверхность корпуса 7 сопла окружена гранулированным набивочным материалом 70. Этот материал 70 набивается вручную вокруг сопла 1 при его установке, этот материал является высоко газопроницаемым и имеет пористость от 20 до 40%. Сверху набивочный материал 70 покрыт напыленным огнеупорным материалом с более низкой пористостью /и, следовательно, более низкой проводимостью газа/, чем набивочный материал. Размещение газопропускных отверстий 65 в донном участке кольцевой головки 64 способствует предотвращению их закупоривания при набивке вручную набивочного материала вокруг корпуса 7 соплового узла 62. В процессе работы находящийся под давлением аргон проходит через газопропускные отверстия 65 распределительной головки 64 при разливке стали через отверстие 13 соплового узла 62. Как и в описанных раннее вариантах, расход газа регулируется от 5 до 15 литров в минуту. Как показано пунктирными стрелками 73, указывающими направление потока, газ течет через открытый кольцевой участок 51 корпуса 7 сопла и через верхнюю кромку 10 вблизи воронкообразного входа 43 вследствие как пористости набивочного материала 70 и окиси алюминия, образующей верхний участок 9 корпуса 7 сопла, так и пониженного давления /порядка -10 psi или -0,68 атм/, в этой зоне сопла в результате течения расплава стали через отверстие 13. Вследствие всех этих причин пунктирные стрелки 73, указывающие направление течения, аппроксимируют траекторию наименьшего сопротивления находящемуся под давлением газу, текущему из кольцевой головки 64. Полученный экранирующий поток инертного газа вокруг воронкообразного входа 43, образующего участок седла для упорного стержня 5 в корпусе 7 сопла, предотвращает образование нежелательных отложений окиси алюминия за счет окружающего воздуха на этом участке соплового узла 62. На фиг. 5 изображен четвертый вариант соплового узла 74 согласно настоящему изобретению, который идентичен по конструкции и работе описанному выше третьему варианту, за исключением того, что трубчатая кольцевая головка 64 заменена участком 75 с двойными стенками металлического кожуха 50. Этот участок 75 с двойными стенками образует кольцевую проточную полость 76, из которой инертный газ в конечном счете вытекает через множество равномерно распределенных проточных отверстий 77. Хотя на чертеже это специально не показано, верхний и нижний фланцы участка 75 с двойными стенками герметично запаяны вокруг верхнего конца металлического кожуха 50, так что находящийся под давлением инертный газ, поступающий в кольцевую проточную полость 76, может вытекать только через проточные отверстия 77. Как и в ранее описанных вариантах, предпочтительный расход инертного газа составляет от 5 до 15 литров в минуту /или от 10 до 30 стандартных кубических футов в минуту/. Хотя настоящее изобретение описано в отношении четырех предпочтительных вариантов, для специалистов очевидны различные изменения, модификации и дополнения к настоящему изобретению, при этом дополнения охватываются сферой действия настоящего изобретения, ограниченного только приложенной формулой изобретения. Формула изобретения
10.10.95 по пп.1-7, 11-15, 20-23; 09.07.96 по пп.8-10, 16-19. РИСУНКИ
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 11.10.2006
Извещение опубликовано: 20.12.2007 БИ: 35/2007
|
||||||||||||||||||||||||||
