КЕРАМИЧЕСКАЯ ОГНЕУПОРНАЯ ПРОБКА
CERAMIC REFRACTORY PLUG

Изобретение относится к керамической огнеупорной пробке (пробочному устройству) для управления потоком расплавленного метала в выходном отверстии металлургического сосуда, такого как промежуточный ковш.
Типовая керамическая огнеупорная пробка относится к стержнеобразному типу и содержит тело пробки с осевой длиной LB, первый концевой участок которого снабжен средствами для съемного крепления тела пробки к устройству подъема и опускания, а второй концевой участок продолжается в осевом направлении пробки так называемой куполообразной головкой пробки с осевой длиной LH. Прежде всего, термин «куполообразная форма» включает в себя сферические или выполненные в виде карандаша (конические) конфигурации, но конкретная конструкция (форма) так называемой куполообразной головки пробки не является критически важной до тех пор, пока она обеспечивает необходимое управление металлическим потоком, хотя в большинстве случаев, применяют круглые поперечные сечения. Выполненная в форме стержня пробка задает центральную продольную ось.
В области разливки стали является общепринятым установка таких пробочных стержней, которые во многих случаях являются монолитными пробочными стержнями, в вертикальном положении с целью изменения площади поперечного сечения связанного выходного отверстия соответствующего металлургического сосуда посредством действия подъема и опускания.
Тем самым, первый конец тела пробки является его верхним концом в положении использования, а свободный конец куполообразной головки пробки задает самую нижнюю часть пробки. Часть тела пробки, простирающуюся в нижнем направлении от его первого конца, называют его первым (верхним) участком, в то время как часть тела пробки, смежную головке пробки, называют ее вторым (нижним) участком.
Любые раскрытые в дальнейшем изложении направления, такие как «вершина», «основание», «верхний и нижний концы» всегда отнесены к положению использования пробки, когда ее продольная ось простирается вертикально.
Пробочные стержни этого типа также могут быть использованы для введения газа, такого как инертный газ, такой как аргон, в расплавленную сталь для предотвращения забивания неметаллических включений в погружной разливочный стакан. Такие пробки характеризуются центральным газовым каналом для выдувания газа, который входит в тело пробки на его первом конце и простирается вдоль газового канала через тело пробки в головку пробки, а оттуда - по меньшей мере к одному выходному отверстию во внешней поверхности головки пробки.
Такая общеупотребительная стержневая форма, то есть удлиненная форма типовых пробок, кроме того, характеризуется круглым поперечным сечением (ортогональным сечением) более или менее постоянного диаметра вдоль тела пробки и уменьшающегося диаметра между верхним и нижним концами головки пробки. Также является известным изменение круглого поперечного сечения тела пробки между его первым и вторым участкам. Обычные пробки изготавливают большей частью посредством изостатического прессования.
На протяжении десятилетий такие пробки зарекомендовали себя как успешные. Тем не менее, имеется непреходящая потребность в улучшении таких пробок в плане их изготовления и обработки.
Ранее были проведены предварительные испытания с целью оптимизации конструкции пробки (стержня) с исходным пунктом в виде типового пробочного стержня с круглым поперечным сечением диаметра D.
Было обнаружено, что структурная целостность пробки оказывается сохраненной в том случае, когда тело пробки имеет по меньшей мере один внешний плоский участок поверхности на внешней периферийной поверхности тела пробки, причем такой плоский участок поверхности простирается вдоль осевой протяженности тела пробки. Другими словами: его круглое поперечное сечение имеет по меньшей мере одну плоскую грань; цилиндрическое тело пробки уплощено посредством по меньшей мере одного плоского внешнего/окружного участка поверхности, который простирается в осевом направлении относительно пробки как таковой в ее совокупности.
Этот плоский участок поверхности предоставляет многочисленные преимущества по сравнению с типовым пробочным стержнем цилиндрической формы, среди прочего:
- удлиненная плоская поверхность уменьшает объем требуемого для изготовления пробки огнеупорного материала, и таким образом, уменьшает затраты.
- простирающийся в осевом направлении плоский участок поверхности облегчает обращение с пробкой и предотвращает нежелательное перекатывание пробок.
- кроме того, такая форма оптимизирует хранение и упаковку вследствие уменьшения необходимого пространства.
Представляется очевидным, что указанные признаки могут быть надежно осуществлены только в том случае, когда плоская грань (уплощенная часть) отсекает менее половины круглого поперечного сечения обычного тела пробки. Это является верным, прежде всего, для пробки, которая имеет центральный осевой газовый канал, поскольку существование и функциональность газового канала не должны быть затронуты.
В наиболее общем варианте осуществления изобретение относится к керамической огнеупорной пробке, выполненной в форме стержня с полной осевой длиной LS, содержащей:
- тело пробки с осевой длиной LB, первый концевой участок которого снабжен средствами для крепления тела пробки к устройству подъема и опускания, а второй концевой участок продолжается,
- куполообразной головкой пробки с осевой длиной LH, причем
- тело пробки имеет по меньшей мере один внешний плоский участок поверхности, который простирается вдоль по меньшей мере 50% осевой длины LB тела пробки.
Основная идея состоит в наличии уплощенной (плоской) внешней поверхности тела пробки, и может быть видоизменена путем предоставления телу пробки превышающего единицу количества плоских участков поверхности (вдоль тех же самых осевых положений) для достижения многоугольного профиля поперечного сечения, такого как:
- треугольник,
- прямоугольник, прежде всего квадрат,
- пятиугольник,
- шестиугольник,
- семиугольник, и т.д.
Например: тело пробки с шестиугольным или восьмиугольным поперечным сечением имеет шесть или восемь плоских участков поверхности, что обеспечивает значительное снижение массы и оптимизацию обработки, транспортировки и хранения по сравнению с обычной пробкой с цилиндрическим телом пробки.
Наличие 4, 6, 8 или 10 плоских участков внешней поверхности упрощает штабелирование, и позволяет использовать для манипулирования обычный торцовый ключ. Большее чем 8 или 10 число плоских участков внешней поверхности не предоставляет дополнительных преимуществ.
Нижеследующая таблица показывает уменьшение полного поперечного сечения (площади поперечного сечения) и, соответственно, относительное уменьшение полной массы тела пробки (а также, опосредовано, пробочного стержня как такового в его совокупности) по сравнению с типовым пробочным стержнем круглого поперечного сечения (эталоном) при условии, что линии/края между смежными плоскими участками поверхности лежат в пределах (той же) цилиндрической поверхности указанной эталонной пробки (то есть, максимальная горизонтальная протяженность является одинаковой для всех тел пробки):
Этот эффект может быть увеличен с помощью пробок, имеющих центральное отверстие (газовый канал), поперечное сечение которых улучшено тем же или подобным способом, то есть изменено от общеупотребительного круглого поперечного сечения к многоугольному поперечному сечению с учетом того, что уменьшение массы (и, соответственно, уменьшение потребности в материале) становятся еще более существенными по отношению к типовому круглому газовому каналу типовой пробки, когда внутренний профиль (плоские участки поверхности) этого газового канала имеет прямые участки, или даже в том случае, когда он имеет только короткие плоские грани по отношению к такому круглому каналу.
Для достижения постоянной ширины (толщины) стенки один вариант осуществления пробки характеризуется параллельным расположением внешних плоских участков поверхности тела пробки и плоских внутренних участков поверхности газового канала.
Согласно одному варианту осуществления куполообразная головка пробки, по меньшей мере, на ее (верхнем) концевом участке, смежном (нижнему) второму концевому участка тела пробки, имеет круглое поперечное сечение (конкретно, при рассмотрении вдоль плоскости, которая проходит перпендикулярно центральной продольной оси тела пробки/пробки).
Для надежной реализации описанных преимуществ плоские участки внешней поверхности тела пробки должны простираться вдоль по меньшей мере 50% его осевой длины LB, что является «нижним пределом», в то время как большие протяженности (>60%, >70%, >80%, >90%) являются еще более предпочтительными.
Указанные значения приведены с учетом нижеописанных соображений. Головка пробки имеет куполообразную форму, то есть имеет по существу круглые поперечные сечения по плоскостям, которые проходят перпендикулярно центральной продольной оси тела пробки/пробки, для обеспечения возможности надежного функционирования пробки в качестве средства управления, когда пробку опускают или поднимают относительно соответствующего круглого отверстия металлургического сосуда. При этом новая конструкция тела пробки характеризуется многоугольным профилем. Тем самым, полный профиль изменяется от многоугольного к круглому. Во избежание соответствующих краев и таким образом какого-либо эффекта врубания на переходной границе от многоугольного тела пробки к куполообразной головке пробки, изобретение предусматривает переходную зону на нижнем, втором конце тела пробки, которая обеспечивает возможность плавного перехода между телом пробки и головкой пробки.
Эта переходная область может быть реализована посредством постепенно изменяющейся переходной поверхности между головкой пробки и телом пробки, или, выражаясь обобщенно: посредством предотвращения каких-либо острых краев и эффектов врубания.
Это может быть осуществлено с помощью использования подобной карандашу формы таким образом, что плоские участки внешней поверхности имеют выпуклый (или изогнутый или конусный) поверхностный профиль на их самых нижних концевых участках. Соответственно, между смежными выпуклыми концами (при рассмотрении в осевом направлении пробки) плоских участков внешней поверхности выполнена А-образная область.
Другими словами: переходная область описывает ту часть пробки, в которой некруглое поперечное сечение тела пробки заканчивается, в то время как строго круглое поперечное сечение головки пробки еще не достигнуто.
Независимо от вышеупомянутого, является предпочтительным, когда упомянутый плоский участок (участки) внешней поверхности тела пробки проходит по всей протяженности вниз от верхней поверхности тела пробки к головке пробки или к переходной области, соответственно, и, таким образом, в большинстве случаев составляет до 80% или до 90% или более от части тела пробки, которая имеет некруглые поперечные сечения. Одна или несколько из плоских участков внешней поверхности могут быть разделены на две или более дискретных зон, размещенных на осевом расстоянии друг относительно друга.
Конструкция согласно изобретению может быть реализована посредством пробки, причем тело пробки и головка пробки образуют монолитную пробку, так называемую моноблочную пробку. Также возможным является проектирование тела пробки и головки пробки отдельными, в виде дискретных частей, которые прикрепляют друг к другу посредством по меньшей мере одного из числа таких средств как: клей, цементный раствор, соединение в шип и паз, резьбовое соединение.
Вышеупомянутый внутренний канал (газовый канал) может простираться от верхнего, первого конца тела пробки:
- в тело пробки, то есть заканчиваться в пределах тела пробки, или
- через тело пробки и в головку пробки, то есть заканчиваться в головке пробки, или
- через тело пробки и через головку пробки, с одним или несколькими отверстиями во внешней поверхности головки пробки для обеспечения возможности подачи газа в соответствующий металлический расплав.
В последнем случае канал может иметь меньшее поперечное сечение на участке в пределах головки пробки и большее поперечное сечение на его простирающемся через тело пробки участке.
Независимо от конструкции с центральным (газовым) каналом или без него, осесимметричная конструкция имеет преимуществом по существу постоянные физические свойства пробки как таковой в ее совокупности. Под таковыми подразумевают формы с плоскими участками внешней поверхности, которые имеют одинаковую осевую длину и/или одинаковую ширину.
Как упомянуто выше, пробки с внешними плоскими участками поверхности не только обеспечивают возможность уменьшения потребности в материале, но и дают возможность применения других технологий производства.
Пробка новой конструкции может быть изготовлена с помощью гидравлического пресса (то есть, и в условиях одноосного прессования), причем этап прессования может быть выполнен в пресс-форме горизонтальной конструкции, например в двухчастной пресс-форме, и таким образом, при горизонтальном размещении пробочного стержня, что делает процесс изготовления более легким, быстрым и менее затратным.
Для изготовления пробок вместо изостатического пресса может быть использован экструдер.
Также и упаковка облегчена, поскольку могут быть использованы многоугольные и меньшие по размеру чехлы (упаковочные единицы). Многоугольные (некруглые) чехлы могут быть более тонкими, поскольку они являются более жесткими, чем круглые.
Кроме того, признаки изобретения становятся очевидными из признаков зависимых пунктов формулы изобретения, а также последующего описания различных вариантов осуществления изобретения, причем признаки, описанные для одного варианта осуществления, могут быть произвольно осуществлены также и для другого варианта осуществления, если они не являются явно исключенными или технически абсурдными.
Приложенные чертежи включают в себя следующие схематические представления:
Фиг. 1: первый вариант осуществления пробочного стержня с шестиугольным профилем тела пробки,
Фиг. 2: пробка согласно фиг. 1 со связанными крепежными средствами,
Фиг. 3: второй вариант осуществления пробочного стержня с квадратным профилем тела пробки,
Фиг. 4: третий вариант осуществления пробочного стержня с пятиугольным профилем тела пробки,
Фиг. 5: поперечные сечения тел пробки согласно раскрытой выше таблице.
Причем каждая из фиг. 1, 3 и 4 показывает пробку в положении использования. На чертежах идентичные или функционально эквивалентные признаки обозначены одинаковыми ссылочными обозначениями.
Фиг. 1 является видом спереди первого варианта осуществления огнеупорной керамической пробки, выполненной в форме стержня с полной осевой длиной LS, которая содержит тело 12 пробки с осевой длиной LB, которое на втором концевом участке 12L (включающем в себя так называемую переходную область 16) продолжается куполообразной головкой 14 пробки с осевой длиной LH. Тело 12 пробки имеет шесть плоских участков поверхности, три из которых (P1, Р2, Р3) показаны на фиг. 1 в осесимметричном размещении.
Каждый из этих плоских участков поверхности P1, Р2, Р3 простирается от верхней поверхности 12Т тела 12 пробки вдоль осевой длины LB тела 12 пробки, причем нижняя часть концевого участка 12L задает переходную область 16.
Эта переходная область 16 предоставляет гладкий поверхностный переход между шестиугольным профилем (поперечным сечением) тела 12 пробки и куполообразной головкой 14 пробки. Показанная на фиг. 1, конструкция является подобной карандашу.
На фиг. 1 показано, что плоские поверхности P1, Р2, Р3 заканчиваются в переходной зоне 16 скругленным профилями RP (видимая в осевом направлении пробки выпуклая форма). Соответственно, получен волнообразный рисунок с А-образными зонами VZ между скругленными профилями RP. Осевая длина переходной области 16 соответствует примерно 5% полной длины LS, хотя, в большинстве случаев, представляется приемлемым ее значение в пределах 1-10% полной длины LS.
Головка 14 пробки выполнена в виде купола и характеризует ту часть пробки, которая имеет по существу идеально круглое поперечное сечение, ниже второго концевого участка 12L или переходной области 16, соответственно.
Полная форма пробки этого типа напоминает форму карандаша.
Верхний, первый концевой участок 12U тела 12 пробки снабжен круглым отверстием 18, которое простирается вдоль длины L от верхней поверхности 12Т в тело 12 пробки и служит для получения металлической или керамической резьбовой гайки (не показана) в качестве средства для крепления пробки к устройству подъема и опускания (не показано).
Фиг. 2 показывает адаптер А такого манипуляционного устройства, который неподвижно закреплен в резьбовой гайке.
Пробка на фиг. 3 подобна таковой на фиг. 1, 2 за тем отличием, что тело 12 пробки имеет квадратное поперечное сечение по своей длине, и таким образом, предоставляет четыре внешних плоских участка поверхности, два из которых (P1, Р2) могут быть замечены на чертеже.
Эта пробка далее характеризуется газовым каналом 18, который простирается от верхней поверхности 12Т через тело 12 пробки и головку 14 пробки, и заканчивается в самой нижней точке LP головки 14 пробки соответствующим отверстием.
Поперечное сечение этого газового канала 18 является квадратным до тех пор, пока он простирается вдоль тела пробки, а затем, посредством переходной области, изменяется на круглый профиль с уменьшенной площадью поперечного сечения, обозначенный как 18R.
Средства для крепления этой пробки к подъемным устройствам, а также средства для присоединения газового канала к газоподающему модулю не показаны, поскольку относятся к известному уровню техники и известны специалисту.
Третий вариант осуществления пробочного стержня с пятиугольным профилем тела пробки раскрыт на фиг. 4, вновь на виде спереди, таким образом, что могут быть рассмотрены только три участки ровной поверхности P1, Р2 и Р3.
Фиг. 5 показывает пять поперечных сечений тел пробки согласно раскрытой выше таблице, а именно, слева направо:
- обычное круглое поперечное сечение,
- квадратный профиль согласно фиг. 3,
- пятиугольный профиль согласно фиг. 4,
- шестиугольное поперечное сечение на фиг. 1, 2,
- восьмиугольное поперечное сечение.