ГАЗОПРОДУВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО
GAS-BLOWDOWN DEVICE

Изобретение относится к газопродувочному устройству для встраивания в металлургический сосуд.
Газопродувочные устройства соответствующей родовому понятию типа служат для вдувания газов или смесей газов и твердых веществ в обрабатываемые расплавы, прежде всего, металлургические расплавы, которые обрабатывают в так называемом металлургическом сосуде. Металлургический сосуд может быть представлен, например, так называемым литейным ковшом (по-английски: ladle) или, прежде всего, так называемым промежуточным ковшом (по-английски: tundish).
Известны газопродувочные элементы с так называемой направленной пористостью (по-английски: directed porosity), в которых газ направлен вдоль каналов/прорезей, а также газопродувочные элементы с так называемой ненаправленной пористостью (по-английски: random porosity), в которых газ устремляется через нерегулярный открытый поровый объем (как в губке).
Расположение таких газопродувочных устройств (газопродувочных элементов, газопродувочных копей) в или на металлургическом сосуде может быть произведено различными способами, например в днище или в стенке сосуда.
Изобретение, прежде всего, относится к газопродувочному устройству, которое размещают в области днища промежуточного ковша. Промежуточный ковш как таковой имеет днище и стенки, которые изнутри имеют соответственно огнеупорную футеровку/покрытие (по-английски: refractory lining).
Из US 5 054 749 А известен промежуточный ковш с так называемой долговечной футеровкой (по-английски: permanent refractory lining). В долговечной футеровке днища расположена полость, в которой оканчивается газопровод. Полость отделена сверху от расплава газопроницаемой пластиной. Направленный в полость газ посредством газопроницаемой пластины вводят в металлический расплав. Такое размещение имеет несколько недостатков: Присутствует серьезная опасность проникновения металлического расплава через пластину в полость. Пластина под воздействием ферростатического давления расплава может быть легко сломана.
Аналогичным образом, это также является действительным для газопродувочного устройства согласно US 5 219 514 А.
Согласно US 4 243 210 в днище промежуточного ковша встроены огнеупорные газопродувочные элементы с различной газопроницаемостью. Устройство состоит из нескольких частей, которые все подлежат замене в случае износа.
В основе изобретения лежит цель предложения газопродувочного устройства указанной разновидности, которое имеет высокий стандарт безопасности и может быть легко заменено в случае износа.
Для достижения этой цели изобретение исходит из следующих соображений.
В любом случае, технологический газ должен быть подведен к области стенки или днища металлургического сосуда. Эта часть может быть образована, аналогично долговечной огнеупорной футеровке металлургического сосуда, из базовой части газопродувочного устройства, которая, за исключением газопровода, может быть газонепроницаемой (поскольку она служит только для подачи газа, но не для распределения газа). Эта базовая часть состоит из огнеупорного керамического материала, и имеет высокую износостойкость таким образом, что она подлежит лишь редкой замене или вовсе не нуждается в таковой.
В противоположность этому, для распределения газа в металлический расплав обеспечена функциональная часть, которая, предпочтительно, может быть легко смонтирована и легко обновлена, поскольку она является быстроизнашивающейся частью. Износ происходит в результате распределения газа в функциональной части, а также в результате металлургических воздействий, прежде всего коррозии и истирания под воздействием металлического расплава.
Эта функциональная часть является, по меньшей мере, частично газопроницаемой, то есть она имеет газопроницаемые участки. Поступающий посредством газопровода в базовой части газ подлежит направлению в металлический расплав через газопроницаемые участки.
Изобретение предусматривает проточное соединение (газовое соединение) в переходной области от базовой части к функциональной части, то есть разновидность сочленения, причем соединение/сочленение должно быть разъемным.
Сочленение содержит по меньшей мере два участка, а именно первый участок на конце газопровода на базовой части со стороны выпуска газа и второй участок, который расположен в функциональной части.
За счет этого функциональная часть может быть соединена с базовой частью посредством того, что функциональную часть вставляют (надвигают, защелкивают) относительно базовой части. При этом участки сочленения в проточном смысле примыкают друг к другу, и становится возможным сквозной газовый поток от газопровода в базовой части через сочленение до одной или нескольких поверхностей выхода газа в функциональной части.
Другими словами: газопродувочное устройство является, по меньшей мере, двухчастным. Базовая часть выполняет задачу подачи газа к функциональной части. Базовая часть может оставаться в металлургическом сосуде. Базовая часть может быть размещена таким образом, что она не пребывает в контакте с металлическим расплавом. Также и газопровод в базовой части, посредством которого подводится газ, может постоянно оставаться в металлургическом сосуде, и не подлежит замене (или, по меньшей мере, подлежит ей гораздо реже, чем функциональная часть).
Поэтому, базовая часть может быть расположена в днище металлургического сосуда таким образом, что ее верхняя поверхность находится, более или менее, заподлицо с огнеупорным днищем металлургического сосуда. Однако базовая часть может также выступать над днищем сосуда. В этом случае, функциональную часть устанавливают на базовую часть (варианты осуществления этого описаны ниже), а именно, таким образом, что участки сочленения базовой части и функциональной части обеспечивают возможность проточного соединения для газа от базовой части в функциональную часть.
Геометрия базовой части и функциональной части, предпочтительно, выполнена таким образом, что обе части газопродувочного устройства образуют геометрически замыкание.
Позиционирование функциональной части на базовой части производят посредством их сочленения. Для предотвращения разъединения функциональной части от базовой части, является целесообразным использование дополнительной механической защиты функциональной части и базовой части. Когда функциональная часть простирается между противоположными стенками металлургического сосуда, огнеупорные стенки металлургического сосуда могут перекрывать обе конечные участки функциональной части. Альтернативно, фиксация может быть произведена посредством дополнительных (отдельных) огнеупорных конструктивных элементов (например: клиньев).
В противоположность известным газопродувочным устройствам согласно уровню техники, все из которых являются статическими,
быстроизнашивающаяся часть согласно изобретению (функциональная часть) может быть регулярно заменена, в то время как базовая часть может быть использована на протяжении весьма протяженного времени и поэтому выполнена неподвижно встроенной в металлургический сосуд. Аналогичным образом, это является действительным также и для простирающегося в базовой части газопровода.
В его самом общем варианте осуществления изобретение относится к газопродувочному устройству для встраивания в металлургический сосуд, имеющему во встроенном положении в днище металлургического сосуда следующие признаки:
- наличие нижней, по существу газонепроницаемой базовой части,
- в базовой части простирается газопровод от первого конца в области первой внешней поверхности базовой части ко второму концу в области второй внешней поверхности базовой части,
- второй конец газопровода выполнен в качестве первого участка сочленения,
- второй участок сочленения расположен в области внешней присоединительной поверхности функциональной части, посредством которой функциональная часть прилегает к базовой части,
- в функциональной части от второго участка сочленения через функциональную часть по меньшей мере до одной выполненной в качестве поверхности выхода газа свободной поверхности функциональной части проходит газораспределительное устройство, - базовая часть и функциональная часть состоят соответственно из огнеупорного керамического материала (той же или различной разновидности).
Газопровод может быть представлен отдельным трубопроводом, который простирается в огнеупорном материале базовой части, однако, газопровод также может быть выполнен альтернативным способом - на месте в огнеупорном материале базовой части.
Первый конец газопровода присоединен к подводу газа, второй конец - к сочленению. Сочленение содержит по меньшей мере два участка, однако, может быть также и многоэлементным. В любом случае, один из участков сочленения является составной частью базовой части, а другой участок сочленения -составной частью функциональной части.
Сочленение имеет несколько функций: в первую очередь, оно служит для создания проточного соединения для газа от базовой части в функциональную часть. Однако при соединении функциональной части и базовой части, оно также служит в качестве подгоночного приспособления. С этой целью часть сочленения может выступать (по-английски: protrude) над соответствующим конструктивным элементом (базовой частью, функциональной частью), в то время как соответствующий участок сочленения образован углублением в поверхности другого конструктивного элемента (функциональной части, базовой части). Это имеет результатом разновидность «соединения в шип и паз» (по-английски: tongue and groove connection) между базовой частью и функциональной частью со штыревым участком (по-английски: male part) и гнездовым участком (по-английски: female part). Соединение с геометрическим замыканием (по-английски: form-fit joint) позволяет предотвращать диффузию газа и направлять газ по требуемому пути.
Первый участок сочленения, например, выступает над второй внешней поверхностью базовой части, а второй участок сочленения образован соответствующим углублением в присоединительной поверхности функциональной части.
При этом вторая внешняя поверхность базовой части может быть представлена верхней поверхностью базовой части, а внешняя присоединительная поверхность функциональной части - нижней поверхностью функциональной части. В рабочем положении устройства обе поверхности простираются, предпочтительно, горизонтально. В этом случае функциональная часть может быть насажена (вставлена) на базовую часть сверху.
Как это уже было раскрыто выше, является предпочтительным, когда вторая внешняя поверхность базовой части и внешняя присоединительная поверхность функциональной части во встроенном положении дополняют друг друга с образованием геометрического замыкания.
В простейшем случае, геометрическое замыкание получают уже при выполнении второй внешней поверхности базовой части и внешней присоединительной поверхности функциональной части соответственно плоскими (за исключением мест, в которых простираются участки сочленения).
Базовая часть и функциональная часть могут быть выполнены таким образом, что вертикальное поперечное сечение имеет одну из следующих геометрических форм: прямоугольник, квадрат, трапеция, треугольник, многоугольник, сектор круга, П-образная форма, Г-образная форма. Также являются возможными и другие геометрические формы базовой части и функциональной части, которые с геометрическим замыканием дополняют друг друга.
Соответствующим образом, в рамках трехмерного рассмотрения, для базовой части и/или функциональной части получаются, например, следующие геометрические формы: прямоугольный параллелепипед, четырехгранная балка, половина цилиндра, Г-образный профиль, П-образный профиль и т.д.
Существенным для газового распределения в металлургическом сосуде является газораспределительное устройство в функциональной части. Его задачей является подведение газа от сочленения к одной или нескольким поверхностям (участкам) функциональной части прежде его направления в металлический расплав.
С этой целью, газовый канал первоначально может проходить от сочленения к газораспределительной камере в пределах функциональной части. От этой газораспределительной камеры газопроницаемые зоны функциональной части простираются к поверхностным участкам функциональной части, посредством которых газ устремляется из функциональной части в металлический расплав. Эти зоны могут быть выполнены с ненаправленной пористостью и/или с направленной пористостью.
Расположение газопродувочного устройства в днище металлургического сосуда (промежуточного ковша) имеет следствием, что газопроницаемые зоны функциональной части простираются, прежде всего, «над газораспределительной камерой», хотя также являются возможными расположенные по бокам от газораспределительной камеры газопроницаемые зоны.
Соответственно, является целесообразным выполнение газонепроницаемой «нижней области функциональной части», то есть, прежде всего, расположенной смежно базовой части и/или по горизонтали сбоку рядом с сочленением области функциональной части, что обеспечивает газу возможность целенаправленной подачи в направлении газопроницаемых зон. Газопроницаемый (-ые) зона (-ы) в функциональной части может/могут быть образованы на месте или в виде отдельной (-ых) вставок (по-английски: inserts).
Является достаточным, когда функциональная часть, наряду с газораспределительной камерой, имеет зону, которая имеет, полностью или частично, ненаправленную и/или направленную открытую пористость. Также является возможным размещение нескольких зон, которые являются проточно соединенными или независимыми друг от друга.
Из приведенного выше описания следует, что газораспределительная камера приспособлена своей величиной и конструктивной формой к созданию возможно более выгодной поверхности контакта с газопроницаемыми зонами функциональной части.
Согласно варианту осуществления газопровод простирается в базовой части от первого конца в области вертикальной боковой внешней поверхности базовой части по существу горизонтально через базовую часть, а затем в восходящем направлении к первому участку сочленения. При этом газопровод в базовой части может иметь проходящий в форме спирали участок, который образует разновидность противопрорывного защитного устройства, предохраняющего от возможного проникновения металлического расплава, который имеет повышенную скорость застывания (замерзания) в области выполненного в форме спирали участка.
Сочленение может быть расположено в произвольном месте базовой части, и соответственно, функциональной части. Посредством нецентрированного (эксцентрического) расположения получают дополнительную защитную функцию, которая делает невозможным ошибочный монтаж базовой части и функциональной части. Функциональная часть может быть выполнена с возможностью вращения по отношению к базовой части, причем сочленение функционирует в качестве шарнирного соединения.
Кроме того, получена возможность первоначального присоединения участки сочленения и последующего поворота (подвижной) функциональной части по отношению к (неподвижно встроенной) базовой части. При этом плоскость поворота простирается перпендикулярно направлению течения газа через сочленение. Тем самым создана дополнительная возможность по приспосабливанию геометрических форм базовой части и функциональной части таким образом, что соответствующие выступы и выемки в базовой части и в функциональной части оказываются приведенными во взаимно закрепленное положение, которое затрудняет непредусмотренное разъединение функциональной части от базовой части. Это является действительным, прежде всего, для вышеупомянутых П- или Г-образных форм базовой части и функциональной части, которые разъяснены также в последующем описании чертежей.
Сочленение не должно обеспечивать абсолютную газонепроницаемость. Тем не менее, газонепроницаемое соединение, например, с помощью уплотнений, является оправданным для целевого направления газа к пористым (газопроницаемым) зонам функциональной части.
Участки сочленения могут быть представлены отдельными конструктивными элементами, которые закреплены на базовой части и функциональной части. Участки сочленения также могут быть выполнены на месте на огнеупорном материале базовой части и функциональной части или же в нем.
При выборе огнеупорного материала отсутствуют какие-либо ограничения. Он может быть выбран в зависимости от варианта применения.
Другие признаки изобретения получаются из признаков дополнительных пунктов формулы изобретения, а также прочих заявочных материалов.
Изобретение разъяснено ниже более подробно посредством различных вариантов осуществления.
При этом показано, соответственно в схематичном представлении:
Фиг. 1 - вертикальный продольный разрез через базовую часть,
Фиг. 2 - вертикальный продольный разрез через функциональную часть, которая может быть соединена с базовой частью согласно фиг. 1,
Фиг. 3 - газопродувочное устройство в составе базовой части и функциональной части согласно фиг.1, 2 в сборе, на перспективном виде,
Фиг. 4 - газопродувочное устройство согласно фиг. 3 во встроенном положении/рабочем положении в промежуточном ковше,
Фиг. 5 - представление согласно фиг. 3 для другого варианта осуществления газопродувочного устройства.
На чертежах одинаковые или функционирующие подобным образом конструктивные элементы представлены теми же ссылочными обозначениями.
Фиг. 1 показывает базовую часть 10 из огнеупорного керамического материала в форме четырехгранной балки (фиг. 3), то есть в форме удлиненного прямоугольного параллелепипеда с шестью простирающимися под прямым углом друг к другу внешними поверхностями, из которых на фиг. 1 первая внешняя поверхность обозначена как 101 (маленькая боковая поверхность слева), а верхняя (большая) торцовая поверхность - как 10о.
Изготовленный из металла газопровод 12 простирается от первого конца в области боковой поверхности 101 примерно горизонтально вовнутрь базовой части 10, а затем имеет проходящий в форме спирали участок 12s, который оканчивается в нижнем конце 14u первого участка 14 сочленения, которая закреплена в виде отдельного металлического конструктивного элемента в соответствующем углублении в базовой части 10. Верхний конец 14о выступает над верхней торцовой поверхностью 10о базовой части 10, причем выступающая часть 14о участка 14 сочленения является цилиндрической, и имеет в ее центре газовый выпускной патрубок 14 с, который свободно выступает вверх.
Фиг. 2 показывает соответствующую функциональную часть 20, вновь в форме вытянутого в длину прямоугольного параллелепипеда (фиг. 3), причем функциональная часть 20 в продольном направлении (горизонтальном направлении) является более длинной (длина L), чем базовая часть 10 (длина 1).
Функциональная часть 20 имеет нижнюю присоединительную поверхность 20u, в которой по центру (в продольном направлении L) выполнено круглое углубление 26v, которое образовано металлической деталью в форме чашки. Углубление 26v имеет направленное вверх продолжение 26е, выполненное, однако, с меньшим диаметром. Продолжение 26е состоит из металлической оболочки, причем углубление 26v и продолжение 26е образуют второй участок 26 сочленения. Альтернативно, они могут быть выполнены также на месте в огнеупорном материале функциональной части 20.
Размеры продолжения 26е и углубления 26v рассчитаны таким образом, что первый участок 14 сочленения (верхний участок 14о, патрубок 14s) базовой части вмещается заподлицо (газонепроницаемым образом) во вторую часть 26 сочленения (углубление 26v, продолжение 26е) в функциональной части 20, когда функциональная часть 20 ее нижней стороной 20u располагается на верхней стороне 10о базовой части 10 (фиг. 3).
Для улучшения газонепроницаемости между патрубком 14s и внутренней стенкой продолжения 20е может быть применено уплотнение, например огнеупорное графитовое уплотнение.
От продолжения 26е вертикально вверх до простирающейся горизонтально в функциональной части 20 газораспределительной камеры 24 простирается канал 22.
Огнеупорный материал под газораспределительной камерой и по бокам рядом с газораспределительной камерой 24 является по существу газонепроницаемым. Простирающаяся над газораспределительной камерой 24 зона 22z огнеупорного материала является газопроницаемой и выполнена с ненаправленной (открытой) пористостью. Верхняя свободная торцовая поверхность 20о функциональной части является поверхностью, которая в рабочем положении устройства прилегает к металлическому расплаву. С помощью поверхности 20о газ подают в расплав.
Конструктивное объединение базовой части 10 и функциональной части 20 производят, как представлено на фиг. 3, посредством того, что функциональную часть 20 насаживают на базовую часть. Базовая часть может быть уже ранее неподвижно зафиксирована в металлургическом сосуде (фиг. 4). Функциональную часть 20 насаживают на базовую часть 10 таким образом, что углубление 26v и продолжение 26е (которые образуют второй участок 26 сочленения) оказываются посаженными на верхний участок 14о и патрубок 14s (которые образуют первый участок 14 сочленения) и образуют геометрическое замыкание.
Посредством размещения участков сочленения, а затем посредством горизонтального поворота функциональной части 20 вокруг оси А-А, которая простирается по центру и вертикально через участки сочленения, функциональная часть 20 может быть приведена в рабочее положение, в котором функциональная часть 20 располагается на одной прямой с базовой частью 10 (фиг. 4).
Базовую часть 10 встраивают в днище В металлургического сосуда (промежуточный ковш Т на фиг. 4), а газопровод 12 присоединяют к системе газоснабжения. Функциональную часть 20 после этого насаживают ранее описанным способом.
Фиксацию функциональной части 20 в металлургическом сосуде производят, как представлено на фиг. 4, посредством того, что располагающееся со стороны стенки огнеупорное покрытие W металлургического сосуда (Т) размещают таким образом, что оно перекрывает конечные участки 201, 20r функциональной части 20. Тем самым предотвращено разъединение функциональной части 20 при эксплуатации по отношению к базовой части 10, когда газ посредством газопровода 12, через сочленение (14, 26) и газораспределительную камеру 24, а также пористую зону 22z и поверхность 20о поступает в соответствующий металлический расплав.
Вариант осуществления согласно фиг. 5 отличается от варианта осуществления согласно фиг. 1-4 только конкретной геометрической формой базовой части и функциональной части 20.
Базовая часть 10 и функциональная часть 20 вновь являются стержнеобразными.
В базовой части 10 на конечном участке (в продольном направлении базовой части) Г-образная часть вырезана таким образом, что на виде сбоку получена П-образная форма базовой части 10, в которой одно плечо 10k П-образной формы является более коротким и тонким, чем другое плечо 10b П-образной формы, а между ними расположена соединительный участок 10v. Конечный участок заканчивается с зазором до середины (М) базовой части.
Другой конечный участок (на чертеже - справа) выполнен аналогичным образом, однако в виде зеркального отражения относительно плоскости, которая простирается вертикально через базовую часть на расстоянии В/2, где В является шириной базовой части 10.
Между обеими П-образными конечными участками образовано пространство цилиндрической формы, в которое выступает цилиндрическая цапфа Z, которая является составной частью функциональной части 20 и выполнена между конечными участками функциональной части 20.
Конечные участки функциональной части 20 выполнены соответственно сопряженными с конечными участками базовой части 10 таким образом, что геометрическое замыкание получают в том случае, когда функциональную часть 20 сначала насаживают ее частью сочленения (не представлена) на часть сочленения (не представлена) базовой части 10, а затем функциональную часть вращают в горизонтальной плоскости в направлении против часовой стрелки (по стрелке на чертеже).
Части сочленения выполнены так же, как в первом варианте осуществления. Готовое монтажное положение соответствует таковому согласно первому варианту осуществления.
Посредством поднутрения Н, которое образовано посредством более короткого плеча 10k, а также соединительной перемычки 10v и более широкого плеча 10b, достигают механической фиксации функциональной части 20 в базовой части 10, когда соответствующие плечи функциональной части введены в соответствующее поднутрения базовой части.