СОСУД ДЛЯ СОДЕРЖАНИЯ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА, ИМЕЮЩИЙ СКВОЗНУЮ ВЕНТИЛЯЦИЮ
VESSEL FOR MELTED METAL HAVING CROSS VENTILATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системам для содержания расплавленного металла и используемым для этой цели конструкциям, например, для передачи расплавленного металла из одного места в другое, например, от металлоплавильной печи к литейной форме или к литейному столу. Точнее, изобретение относится к таким конструкциям, которые содержат огнеупорный (обычно керамический) сосуд, например, желоб для раздачи металла, тигель и т.п., расположенный внутри наружного металлического кожуха, который служит для поддержания, защиты и размещения огнеупорного сосуда.
Уровень техники
Конструкциям для содержания металла указанного типа присущ недостаток, заключающийся в том, что в процессе использования огнеупорный сосуд может нагреваться до очень высоких температур в силу его контакта с расплавленным металлом (например, до 680°-750°С при передаче расплавленного алюминия или алюминиевых сплавов). Если это тепло передается наружному металлическому кожуху конструкции, то указанный металлический кожух может подвергаться расширению, короблению или деформации, которая в свою очередь может приводить к появлению трещин в сосуде или, если огнеупорный сосуд выполнен из секций, к образованию зазоров между секциями, что позволит расплавленному металлу вытекать из сосуда в кожух. Кроме того, наружные поверхности кожуха могут принимать рабочие температуры, которые небезопасны для операторов оборудования. Указанные недостатки усугубляются, если к наружной стороне сосуда внутри кожуха подводится дополнительное тепло для поддержания расплавленного металла при требуемой высокой температуре. Например, температуры на наружной поверхности сосуда могут доходить до 900°С, когда используется дополнительный подвод тепла такого типа. Между сосудом и внутренней поверхностью кожуха могут быть предусмотрены слои изоляционного материала, но таких слоев может быть недостаточно для поддержания приемлемой температуры наружной поверхности кожуха без чрезмерного увеличения ширины стенок металлической вмещающей конструкции.
Для дополнительной тепловой изоляции от сосуда возможно также создание в кожухе воздушного промежутка. Например, в патенте США 5316071 от 31 мая 1994 года, раскрыт литейный лоток для раздачи расплавленного металла, содержащий воздушный промежуток или промежутки между слоями изоляции и наружным металлическим кожухом или оболочкой. Для перемещения воздуха в продольном направлении вдоль полостей боковой стенки с целью охлаждения поддерживающей конструкции используется вентилятор. Однако устройство такой системы вентиляторов является сложным и дорогостоящим, и, поэтому, нежелательным.
Известно также устройство для размещения расплавленного металла, описанное в патентном документе GB 494708 от 31 октября 1938 года, в котором в блоках огнеупорного материала, образующих сосуд для металла, или же между огнеупорным сосудом и внешним кожухом имеются каналы, по которым пропускают воздух в целях охлаждения конструкции. При этом такое устройство не является практичным при изготовлении, требует активного продува воздуха в системе и не обеспечивает достаточной надежности. Данное известное решение выбрано в качестве ближайшего аналога предлагаемого решения.
В соответствии с этим, существует потребность в усовершенствовании средств крепления огнеупорного сосуда для размещения металла, такого, как желоб, внутри металлического кожуха, образующего конструкцию для содержания расплавленного металла, чтобы одновременно избежать чрезмерно высоких температур на наружных поверхностях кожуха.
Раскрытие изобретения
В качестве предпочтительного варианта осуществления изобретения предлагается сосуд для размещения (например, для содержания и раздачи) расплавленного металла, выполненный огнеупорным, имеющий наружную поверхность и металлический кожух, имеющий внутреннюю поверхность, по меньшей мере частично окружающую наружную поверхность огнеупорного сосуда на расстоянии от последней и образующую пространство между огнеупорным сосудом и кожухом. Указанное пространство включает в себя свободный, расположенный с боковых сторон металлического кожуха промежуток, который сообщается с наружной атмосферой за соединения с верхним и нижним отверстиями металлического кожуха. В пространстве между внутренней поверхностью металлического кожуха и наружной поверхностью огнеупорного сосуда в предпочтительном варианте размещен слой изолирующего материала, более узкий, чем указанное пространство по меньшей мере с боковых сторон кожуха с образованием в пространстве указанного свободного промежутка.
В предпочтительном варианте свободный промежуток образован между слоем изолирующего материала и внутренней поверхностью металлического кожуха, однако в ином варианте или вдобавок к предпочтительному варианту, свободный промежуток может быть образован между слоем изолирующего материала и наружной поверхностью огнеупорного сосуда. Дополнительно, на стороне слоя изолирующего материала противоположной свободному промежутку, может быть образован второй свободный промежуток (вентилируемый или невентилируемый).
Свободный промежуток можно, если требуется, выполнить так, чтобы он проходил поперек нижней стенки металлического кожуха, а также вверх по еги боковым сторонам.
В предпочтительном варианте кожух содержит нижнюю стенку (днище), боковые стенки и верхнюю стенку, при этом на верхней и нижней стенках кожуха или вблизи верхней и нижней стенок выполнены верхнее и нижнее отверстия. Предпочтительно, чтобы нижние отверстия представляли собой каналы, образованные между пластинами, которые используются для построения нижней стенки и боковых стенок кожуха, а верхние отверстия представляли собой вырезы или щели в верхней стенке кожуха.
Оптимально, чтобы размеры свободного промежутка и указанных отверстий были выбраны так, чтобы обеспечить ламинарное течение воздуха через промежуток.
Огнеупорный сосуд может, например, представлять собой удлиненный желоб для передачи расплавленного металла, содержащий удлиненный канал, проходящий в продольном направлении от одного торца желоба до противоположного торца, сосуд с каналом для передачи расплавленного металла, оснащенным фильтром металла, сосуд с внутренним объемом для размещения расплавленного металла и по меньшей мере одного ротора установки дегазации металла, находящегося в указанном внутреннем объеме, или тигель с внутренним объемом, приспособленным для хранения расплавленного металла.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения предусматривает сосуд для раздачи расплавленного металла, содержащий керамический желоб, у которого имеются боковые стенки, дно и наружная поверхность, а также металлический кожух для размещения указанного керамического желоба, содержащий внутреннюю поверхность, по меньшей мере частично охватывающую наружную поверхность керамического желоба на расстоянии от последней, и образующую пространство между желобом и кожухом. В пространстве между керамическим желобом и кожухом размещен слой теплоизолирующего материала. Слой изолирующего материала, примыкающий к боковым стенкам керамического желоба, выполнен более узким, чем указанное пространство в этих точках, так чтобы в конструкции с боковых сторон образовался идущий в верхнем направлении сплошной, ничем не заполненный промежуток. Указанный промежуток сообщается с верхними и нижним отверстиями кожухами, расположенными так, чтобы дать возможность наружному воздуху поступать в указанный промежуток и протекать по нему в вертикальном направлении. Промежуток создает течение воздуха сквозь кожух, которое снижает температуру кожуха.
Во всех предпочтительных вариантах осуществления изобретения огнеупорный сосуд главным образом предназначен для размещения или передачи расплавленного алюминия или алюминиевых сплавов, но он может быть применен для размещения 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). Железо и сталь обладают гораздо более высокими температурами плавления, но конструкции, соответствующие изобретению, если требуется, могут быть адаптированы и для этих металлов. Расплавленный алюминий, помещенный в необогреваемый сосуд, обычно поддерживают при температуре в интервале 680°-720°С. При таких условиях температура наружной поверхности изолирующего слоя обычно находилась бы в интервале 250°-300°С, а конструкция, соответствующая предпочтительному варианту осуществления изобретения, может понизить температуру снаружи металлического кожуха до 100°С и ниже.
3
4
В предпочтительном случае сосуд выполнен из огнеупорного материала. Предполагается, что термин «огнеупорный материал», так как он использован в настоящем описании в отношении сосудов для содержания металла, включает все материалы, обладающие сравнительной стойкостью к расплавленным металлам, и способные сохранять свою прочность при высоких температурах, предусмотренных для таких сосудов. В число таких материалов (помимо других возможных) входят керамические материалы (неорганические неметаллические твердые и термостойкие стекла) и неметаллы. Неполный перечень подходящих материалов включает следующие: оксиды алюминия (глинозем), кремний (двуокись кремния, в частности, плавленый кварц), магний (оксид магния), кальций (известь), цирконий (двуокись циркония), бор (оксид бора), карбиды металлов, бориды, нитриды, силициды, такие как карбид кремния, карбид кремния с нитридкремниевой связью (SiC/SiN), карбид бора, нитрид бора, алюминосиликаты, например алюмосиликат кальция, композитные материалы (например, композиты оксидов и неоксидных материалов), стекла, включая стекла, предназначенные для станочной обработки, минеральная вата из волокон или смешанные материалы, углерод или графит и т.п.
Термин «сосуд для содержания металла» описывает (помимо других возможных) сосуды, предназначенные или сконструированные для хранения расплавленного металла в течение определенного периода времени, и сосуды, предназначенные или сконструированные для передачи расплавленного металла из одного места в другое, либо непрерывным, либо периодическим образом.
Краткое описание чертежей
Варианты выполнения настоящего изобретения будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 в перспективной проекции изображает конструкцию для содержания расплавленного металла или желоб, соответствующий варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг. 2 представляет поперечное сечение конструкции, показанной на фиг. 1, и
фиг. 3 представляет боковую проекцию части конструкции, изображенной на фиг. 1 и 2.
Осуществление изобретения
На фиг. 1-3 показана конструкция 10 для раздачи расплавленного металла (например, лоток), соответствующая варианту осуществления настоящего изобретения. Конструкция содержит огнеупорный желоб 12, выполняющий функцию сосуда для содержания металла. Желоб, который образован из двух секций 12А и 12В, может быть выполнен из любого подходящего керамического материала, который обладает стойкостью к высокой температуре и действию расплавленного металла, передаваемого через желоб. В число подходящих материалов входит оксид алюминия и карбиды металлов, например, карбид кремния. Желоб содержит U-образный канал 13 для передачи расплавленного металла от одного конца конструкции к другому концу. В процессе использования указанная конструкция может быть каждым своим концом соединена с другим оборудованием, например лотком, отходящим от металлоплавильной печи, и лотком, ведущим к литейной форме или литейному столу (не показано). У желоба имеются продольные боковые стороны 14, дно 15 и узкие верхние края 16, проходящие с каждой стороны канала 13.
Желоб 12 расположен внутри и частично окружен металлическим кожухом 17, который служит для размещения желоба, для обеспечения взаимного совмещения секций желоба и взаимного контакта между секциями, а также для защиты желоба. Кожух 17 содержит боковые стенки 18, днище 19 (см. фиг. 2) и верхние пластины 20, проходящие с каждой стороны U-образного канала 13 желоба. Кожух 17 может быть выполнен из стали или другого металла, обладающего хорошей прочностью при высоких температурах.
Как показано, кожух в данном примере осуществления выполнен из нескольких частей. Боковые стенки и днище кожуха выполнены из длинных металлических пластин 22 и 23. Данные пластины удерживаются вместе посредством нескольких U-образных металлических ребер 25, которые с интервалом установлены вдоль конструкции между ее концами. Ребра 25 в свою очередь крепятся металлическими боковыми стяжками 27 и нижними стяжками 28, которые проходят между ребер и соединены с наружными краями конструкции. Кожух также содержит торцевые сжимающие фланцы 30 на каждом конце конструкции, которые поддерживают желоб в сжатом состоянии в продольном направлении для минимизации образования трещин.
Желоб 12 жестко закреплен внутри кожуха посредством вертикальных поджимающих опор 32 и горизонтальных поджимающих опор 34. Указанные опоры выполнены в виде металлических стержней 35, изготовленных, например, из нержавеющей стали, которые проходят через нижние стяжки 28 и боковые стяжки 27, через отверстия в пластинах 23 и 22 и теплоизоляционный материал 46 и 47, и входят в контакт с желобом в области днища 15 и нижних краев боковых сторон 14. Внутренние концы стержней 35 оснащены металлическими контактными башмаками 36 увеличенного размера, которые распределяют нагрузку, прикладываемую со стороны стержней к желобу 12, чтобы исключить повреждение последнего. Вертикальные поджимающие опоры 32 не только поддерживают желоб, но также прикладывают усилие сжатия, что является возможным, поскольку верхние края 16 желоба удерживаются верхними пластинами 20 кожуха, которые жестко подтянуты вниз посредством болтов 37. Горизонтальные поджимающие опоры 34 также прикладывают усилие сжатия в зоне, примыкающей к днищу желоба, причем указанные опоры расположены напротив друг друга для уравновешивания прикладываемых усилий. Таким образом, указанные поджимающие опоры держат желоб подвешенным внутри кожуха, оставляя при этом свободные пространства 40 и 42, отделяющие наружные поверхности желоба от кожуха, соответственно с боковых сторон и в области днища. Указанные поджимающие опоры принимают на себя все деформации расширения и сокращения желоба и кожуха, вызванные циклическим изменением температур, благодаря поджимающим шайбам 44, расположенным под головками 45 болтов, проходящих через поджимающие опоры 32 и 34.
В свободных пространствах 40 и 42 расположены слои 46 и 47 теплоизоляционного материала. Указанные слои могут быть выполнены из любого подходящего термостойкого теплоизоляционного материала, например, панелей из огнеупорной керамики, такой как керамика на основе оксида алюминия. Слои 46 и 47 являются более узкими, чем ширина пространств 40 и 42, по меньшей мере с боковых сторон желоба, и таким образом между слоями изоляции и внутренними поверхностями кожуха образуются незаполненные сплошные промежутки 49 и 50. Данные промежутки поддерживаются распорными болтами 48, которые отжимают слои изоляции от внутренней поверхности боковых пластин 22. Между слоями 46 и 47 изоляции и наружной поверхностью желоба 12 также образованы промежутки 51 и 52. Однако внешние промежутки 49 с боковых сторон кожуха целиком сообщаются с наружной атмосферой, поскольку они сообщаются с верхними отверстиями 54 и нижними отверстиями 55. Нижние отверстия 55 фактически представляют собой открытые каналы, проходящие по длине конструкции, которые образованы между боковыми пластинами 22 и нижней пластиной 23 кожуха, поскольку указанные пластины закреплены таким образом, что их края не сходятся. Верхние отверстия 54 представляют собой щели, выполненные в верхних пластинах 20 (см. фиг. 1). С каждой стороны желоба имеются несколько таких щелей, которые ориентированы в продольном направлении вдоль верхних пластин 20. Как указано стрелками на фиг.2, верхние и нижние отверстия 54 и 55 дают возможность наружному воздуху войти в промежутки 49, чтобы далее пройти вверх через указанные промежутки за счет конвекции, вызванной нагреванием воздуха, и выйти из промежутков и из кожуха через верхние отверстия 54. Таким образом, данные промежутки и отверстия обеспечивают охлаждение пассивного типа, которое отводит тепло из внутренней области конструкции, примыкающей к внутренней поверхности кожуха, и таким образом, способствует снижению температуры стенок кожуха, снижая тем самым вероятность коробления, деформации и повреждения, а также снижая риск получения ожогов оператором.
Промежуток 50 в области днища кожуха также сообщается с наружной атмосферой, благодаря тому, что, как показано, данный промежуток соединен с боковыми промежутками 49. За счет такого соединения температура днища кожуха также снижается.
Ширина боковых промежутков 49 и размер отверстий 54 и 55 предпочтительно должны быть такими, чтобы через промежутки 49 проходил сравнительно медленный ламинарный поток воздуха без турбулентности, поскольку турбулентность может увеличить передачу тепла поперек промежутка. Оптимальная ширина промежутка зависит от высоты желоба, характеристик поверхности слоев 46 и 47 теплоизоляции, и конструкции верхней пластины 20, а также от давления, влажности и температуры воздуха, и таким образом оптимальная ширина может варьировать соответственно указанным параметрам. Однако промежуток шириной менее 2 мм трудно выдержать по всей длине конструкции из-за допусков на сварку и резку. С другой стороны, если указанный промежуток делать шире, то должна возрасти и ширина верхней пластины 20, а отсюда потребуется выполнить пластину из более толстого стального листа или предусмотреть поддерживающие ребра, чтобы противостоять изгибному моменту, вызываемому вертикальным сжатием огнеупорного желоба. По этим причинам промежуток шириной более 5,1 см или даже 2,5 см может представлять проблему, а промежутки шире, приблизительно, 1 см или даже 6 мм могут потребовать дополнительной конструктивной опоры для верхних пластин. Отверстия 54 и 55, в общем, должны быть выполнены подходящими по размеру и возможно по форме, чтобы способствовать плавному, ламинарному течению воздуха через промежутки, причем в действительности верхние отверстия 54 могут представлять наибольшую важность для управления течением воздуха. Надлежащее соотношение между размером отверстия и размером промежутка может быть выбрано экспериментально или путем компьютерного моделирования.
В представленном варианте осуществления изобретения промежутки 51 и 52, образованные с боковых сторон изолирующих слоев 46 и 47, обращенных к желобу, не сообщаются с наружной атмосферой, и поэтому они функционируют в качестве невентилируемых терморазрывов или воздушных зазоров, но в ином варианте конструкции указанные промежутки могут быть выполнены вентилируемыми путем устройства соответствующих отверстий, например, небольших верхних и нижних отверстий в изолирующих слоях 46 и 47, обеспечивающих сообщение промежутками 49 и 50, чтобы создать дополнительное охлаждение конструкции за счет вентиляции. Однако даже если такая дополнительная вентиляция не предусмотрена, промежутки 51 и 52 создают дополнительную тепловую изоляцию желоба от кожуха.
На фиг. 3 изображено, как может быть обеспечено поджатие торцевых фланцев 30, чтобы указанные фланцы могли воздействовать на торцы желоба 12. Фланцы 30 выполнены подвижными относительно остального кожуха, и прикреплены к болтам 60, которые проходят через соседнее ребро 25. Вращение головок 61 болтов подтягивает фланец 30 вдоль оси внутрь конструкции, а фланец в свою очередь оказывает давление на торец желоба 12 (фиг. 3). Поджимающие шайбы 62, расположенные между головкой 61 болтов и ребром 25, допускают незначительные перемещения желоба, вызванные его циклическим тепловым сокращением и расширением.
Хотя рассмотренный пример варианта осуществления является предпочтительным, если требуется, в него могут быть внесены изменения и осуществлены различные модификации. Например, изолирующие слои 46 и 47 могут быть целиком изъяты из конструкции, так что для защиты наружного металлического кожуха от воздействия высоких температур придется полагаться только на пассивную воздушную вентиляцию. Более того, когда такие изолирующие слои присутствуют, вентилируемый промежуток может быть предусмотрен на стороне желоба, а не на стороне кожуха, как это показано на чертеже, хотя это может привести к отъему большого количества тепла от желоба. Промежуток на той стороне изоляции, которая обращена к желобу, можно вентилировать пассивным способом, предусмотрев отверстия или щели в нижнем слое 47 изоляции, и в боковых слоях 46 изоляции вблизи верхней части. Наружный воздух тогда также бы входил через нижнее отверстие 55, а выходил через верхнее отверстие 54, или верхнее отверстие 54 можно было бы сместить в положение над промежутком на той стороне изоляции, которая обращена к желобу.
Конструкция, изображенная на фиг. 1-3, не включает в себя средств нагревания желоба внутри кожуха, но использование таких средств нагревания является возможным. Например, в промежутках 51 с каждой стороны желоба 12 могут быть предусмотрены электрические нагревательные элементы. Другие примеры конструкций желобов, содержащих средства нагревания, раскрыты в патенте США 6973955, выданном 13 декабря 2005 г. (содержание которого специально включено в настоящее описание посредством ссылки). Если предусмотрены такие средства нагревания, то желательно опорные стержни 35 вертикального и горизонтального поджатия выполнить частично или целиком из огнеупорного керамического материала, например, на основе оксида алюминия, а не из металла. Это связано с тем, что при использовании внутри кожуха средств нагревания стержни подвергаются действию более высоких температур, которые могут приводить к деформации металлических стержней или потере их прочности на сжатие.
В рассмотренном выше варианте осуществления изобретения желоб 12 представляет собой удлиненный желоб для расплавленного металла такого типа, какие применяются в системах раздачи расплавленного металла, используемых для передачи расплавленного металла из одного места (например, из металлоплавильной печи) в другое место (например, в литейную форму). Однако в соответствии с другими вариантами осуществления изобретения могут быть использованы иные виды сосудов для содержания и раздачи металла, например, сосуд со встроенным керамическим фильтром (например, фильтром из керамической пены), используемым для отделения частиц от струи расплавленного металла, когда металл проходит от металлоплавильной печи к литейному столу. В таком случае, указанный сосуд включает в себя канал для передачи расплавленного металла с фильтром, установленным в канале. Примеры таких сосудов и систем для содержания расплавленного металла раскрыты в патенте США 5673902, выданном 7 октября 1997 г., и в международной заявке 2006/110974 А1, опубликованной 26 октября 2006 г.
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. 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 больших объемов расплавленного металла для его переноса из одного места в другое. Всех такие варианты конструкций содержат огнеупорный сосуд, расположенный в наружном металлическом кожухе, и, таким образом, могут быть модифицированы, чтобы включить в себя отличительные признаки изобретения, раскрытые в настоящем описании.
СОСУД ДЛЯ СОДЕРЖАНИЯ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА, ИМЕЮЩИЙ СКВОЗНУЮ ВЕНТИЛЯЦИЮ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системам для содержания расплавленного металла и используемым для этой цели конструкциям, например, для передачи расплавленного металла из одного места в другое, например, от металлоплавильной печи к литейной форме или к литейному столу. Точнее, изобретение относится к таким конструкциям, которые содержат огнеупорный (обычно керамический) сосуд, например, желоб для раздачи металла, тигель и т.п., расположенный внутри наружного металлического кожуха, который служит для поддержания, защиты и размещения огнеупорного сосуда.
Уровень техники
Конструкциям для содержания металла указанного типа присущ недостаток, заключающийся в том, что в процессе использования огнеупорный сосуд может нагреваться до очень высоких температур в силу его контакта с расплавленным металлом (например, до 680-750С при передаче расплавленного алюминия или алюминиевых сплавов). Если это тепло передается наружному металлическому кожуху конструкции, то указанный металлический кожух может подвергаться расширению, короблению или деформации, которая в свою очередь может приводить к появлению трещин в сосуде или, если огнеупорный сосуд выполнен из секций, к образованию зазоров между секциями, что позволит расплавленному металлу вытекать из сосуда в кожух. Кроме того, наружные поверхности кожуха могут принимать рабочие температуры, которые небезопасны для операторов оборудования. Указанные недостатки усугубляются, если к наружной стороне сосуда внутри кожуха подводится дополнительное тепло для поддержания расплавленного металла при требуемой высокой температуре. Например, температуры на наружной поверхности сосуда могут доходить до 900С, когда используется дополнительный подвод тепла такого типа. Между сосудом и внутренней поверхностью кожуха могут быть предусмотрены слои изоляционного материала, но таких слоев может быть недостаточно для поддержания приемлемой температуры наружной поверхности кожуха без чрезмерного увеличения ширины стенок металлической вмещающей конструкции.
Для дополнительной тепловой изоляции от сосуда возможно также создание в кожухе воздушного промежутка. Например, в патенте США 5316071 от 31 мая 1994 года, раскрыт литейный лоток для раздачи расплавленного металла, содержащий воздушный промежуток или промежутки между слоями изоляции и наружным металлическим кожухом или оболочкой. Для перемещения воздуха в продольном направлении вдоль полостей боковой стенки с целью охлаждения поддерживающей конструкции используется вентилятор. Однако устройство такой системы вентиляторов является сложным и дорогостоящим, и, поэтому, нежелательным.
Известно также устройство для размещения расплавленного металла, описанное в патентном документе GB 494708 от 31 октября 1938 года, в котором в блоках огнеупорного материала, образующих сосуд для металла, или же между огнеупорным сосудом и внешним кожухом имеются каналы, по которым пропускают воздух в целях охлаждения конструкции. При этом такое устройство не является практичным при изготовлении, требует активного продува воздуха в системе и не обеспечивает достаточной надежности. Данное известное решение выбрано в качестве ближайшего аналога предлагаемого решения.
В соответствии с этим, существует потребность в усовершенствовании средств крепления огнеупорного сосуда для размещения металла, такого, как желоб, внутри металлического кожуха, образующего конструкцию для содержания расплавленного металла, чтобы одновременно избежать чрезмерно высоких температур на наружных поверхностях кожуха.
Раскрытие изобретения
В качестве предпочтительного варианта осуществления изобретения предлагается сосуд для размещения (например, для содержания и раздачи) расплавленного металла, выполненный огнеупорным, имеющий наружную поверхность и металлический кожух, имеющий внутреннюю поверхность, по меньшей мере частично окружающую наружную поверхность огнеупорного сосуда на расстоянии от последней и образующую пространство между огнеупорным сосудом и кожухом. Указанное пространство включает в себя свободный, расположенный с боковых сторон металлического кожуха промежуток, который сообщается с наружной атмосферой за соединения с верхним и нижним отверстиями металлического кожуха. В пространстве между внутренней поверхностью металлического кожуха и наружной поверхностью огнеупорного сосуда в предпочтительном варианте размещен слой изолирующего материала, более узкий, чем указанное пространство по меньшей мере с боковых сторон кожуха с образованием в пространстве указанного свободного промежутка.
В предпочтительном варианте свободный промежуток образован между слоем изолирующего материала и внутренней поверхностью металлического кожуха, однако в ином варианте или вдобавок к предпочтительному варианту свободный промежуток может быть образован между слоем изолирующего материала и наружной поверхностью огнеупорного сосуда. Дополнительно, на стороне слоя изолирующего материала противоположной свободному промежутку, может быть образован второй свободный промежуток (вентилируемый или невентилируемый).
Свободный промежуток можно, если требуется, выполнить так, чтобы он проходил поперек нижней стенки металлического кожуха, а также вверх по еги боковым сторонам.
В предпочтительном варианте кожух содержит нижнюю стенку (днище), боковые стенки и верхнюю стенку, при этом на верхней и нижней стенках кожуха или вблизи верхней и нижней стенок выполнены верхнее и нижнее отверстия. Предпочтительно, чтобы нижние отверстия представляли собой каналы, образованные между пластинами, которые используются для построения нижней стенки и боковых стенок кожуха, а верхние отверстия представляли собой вырезы или щели в верхней стенке кожуха.
Оптимально, чтобы размеры свободного промежутка и указанных отверстий были выбраны так, чтобы обеспечить ламинарное течение воздуха через промежуток.
Огнеупорный сосуд может, например, представлять собой удлиненный желоб для передачи расплавленного металла, содержащий удлиненный канал, проходящий в продольном направлении от одного торца желоба до противоположного торца, сосуд с каналом для передачи расплавленного металла, оснащенным фильтром металла, сосуд с внутренним объемом для размещения расплавленного металла и по меньшей мере одного ротора установки дегазации металла, находящегося в указанном внутреннем объеме, или тигель с внутренним объемом, приспособленным для хранения расплавленного металла.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения предусматривает сосуд для раздачи расплавленного металла, содержащий керамический желоб, у которого имеются боковые стенки, дно и наружная поверхность, а также металлический кожух для размещения указанного керамического желоба, содержащий внутреннюю поверхность, по меньшей мере частично охватывающую наружную поверхность керамического желоба на расстоянии от последней, и образующую пространство между желобом и кожухом. В пространстве между керамическим желобом и кожухом размещен слой теплоизолирующего материала. Слой изолирующего материала, примыкающий к боковым стенкам керамического желоба, выполнен более узким, чем указанное пространство в этих точках, так чтобы в конструкции с боковых сторон образовался идущий в верхнем направлении сплошной, ничем не заполненный промежуток. Указанный промежуток сообщается с верхними и нижним отверстиями кожухами, расположенными так, чтобы дать возможность наружному воздуху поступать в указанный промежуток и протекать по нему в вертикальном направлении. Промежуток создает течение воздуха сквозь кожух, которое снижает температуру кожуха.
Во всех предпочтительных вариантах осуществления изобретения огнеупорный сосуд главным образом предназначен для размещения или передачи расплавленного алюминия или алюминиевых сплавов, но он может быть применен для размещения 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). Железо и сталь обладают гораздо более высокими температурами плавления, но конструкции, соответствующие изобретению, если требуется, могут быть адаптированы и для этих металлов. Расплавленный алюминий, помещенный в необогреваемый сосуд, обычно поддерживают при температуре в интервале 680°-720°С. При таких условиях температура наружной поверхности изолирующего слоя обычно находилась бы в интервале 250°-300°С, а конструкция, соответствующая предпочтительному варианту осуществления изобретения, может понизить температуру снаружи металлического кожуха до 100°С и ниже.
3
4
В предпочтительном случае сосуд выполнен из огнеупорного материала. Предполагается, что термин «огнеупорный материал», так как он использован в настоящем описании в отношении сосудов для содержания металла, включает все материалы, обладающие сравнительной стойкостью к расплавленным металлам, и способные сохранять свою прочность при высоких температурах, предусмотренных для таких сосудов. В число таких материалов (помимо других возможных) входят керамические материалы (неорганические неметаллические твердые и термостойкие стекла) и неметаллы. Неполный перечень подходящих материалов включает следующие: оксиды алюминия (глинозем), кремний (двуокись кремния, в частности, плавленый кварц), магний (оксид магния), кальций (известь), цирконий (двуокись циркония), бор (оксид бора), карбиды металлов, бориды, нитриды, силициды, такие как карбид кремния, карбид кремния с нитридкремниевой связью (SiC/SiN), карбид бора, нитрид бора, алюминосиликаты, например, алюмосиликат кальция, композитные материалы (например, композиты оксидов и неоксидных материалов), стекла, включая стекла, предназначенные для станочной обработки, минеральная вата из волокон или смешанные материалы, углерод или графит и т.п.
Термин «сосуд для содержания металла» описывает (помимо других возможных) сосуды, предназначенные или сконструированные для хранения расплавленного металла в течение определенного периода времени, и сосуды, предназначенные или сконструированные для передачи расплавленного металла из одного места в другое, либо непрерывным, либо периодическим образом.
Краткое описание чертежей
Варианты выполнения настоящего изобретения будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 в перспективной проекции изображает конструкцию для содержания расплавленного металла или желоб, соответствующий варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг. 2 представляет поперечное сечение конструкции, показанной на фиг. 1, и
фиг. 3 представляет боковую проекцию части конструкции, изображенной на фиг. 1 и 2.
Осуществление изобретения
На фиг. 1-3 показана конструкция 10 для раздачи расплавленного металла (например, лоток), соответствующая варианту осуществления настоящего изобретения. Конструкция содержит огнеупорный желоб 12, выполняющий функцию сосуда для содержания металла. Желоб, который образован из двух секций 12А и 12В, может быть выполнен из любого подходящего керамического материала, который обладает стойкостью к высокой температуре и действию расплавленного металла, передаваемого через желоб. В число подходящих материалов входит оксид алюминия и карбиды металлов, например, карбид кремния. Желоб содержит U-образный канал 13 для передачи расплавленного металла от одного конца конструкции к другому концу. В процессе использования указанная конструкция может быть каждым своим концом соединена с другим оборудованием, например лотком, отходящим от металлоплавильной печи, и лотком, ведущим к литейной форме или литейному столу (не показано). У желоба имеются продольные боковые стороны 14, дно 15 и узкие верхние края 16, проходящие с каждой стороны канала 13.
Желоб 12 расположен внутри и частично окружен металлическим кожухом 17, который служит для размещения желоба, для обеспечения взаимного совмещения секций желоба и взаимного контакта между секциями, а также для защиты желоба. Кожух 17 содержит боковые стенки 18, днище 19 (см. фиг. 2) и верхние пластины 20, проходящие с каждой стороны U-образного канала 13 желоба. Кожух 17 может быть выполнен из стали или другого металла, обладающего хорошей прочностью при высоких температурах.
Как показано, кожух в данном примере осуществления выполнен из нескольких частей. Боковые стенки и днище кожуха выполнены из длинных металлических пластин 22 и 23. Данные пластины удерживаются вместе посредством нескольких U-образных металлических ребер 25, которые с интервалом установлены вдоль конструкции между ее концами. Ребра 25 в свою очередь крепятся металлическими боковыми стяжками 27 и нижними стяжками 28, которые проходят между ребер и соединены с наружными краями конструкции. Кожух также содержит торцевые сжимающие фланцы 30 на каждом конце конструкции, которые поддерживают желоб в сжатом состоянии в продольном направлении для минимизации образования трещин.
Желоб 12 жестко закреплен внутри кожуха посредством вертикальных поджимающих опор 32 и горизонтальных поджимающих опор 34. Указанные опоры выполнены в виде металлических стержней 35, изготовленных, например, из нержавеющей стали, которые проходят через нижние стяжки 28 и боковые стяжки 27, через отверстия в пластинах 23 и 22 и теплоизоляционный материал 46 и 47, и входят в контакт с желобом в области днища 15 и нижних краев боковых сторон 14. Внутренние концы стержней 35 оснащены металлическими контактными башмаками 36 увеличенного размера, которые распределяют нагрузку, прикладываемую со стороны стержней к желобу 12, чтобы исключить повреждение последнего. Вертикальные поджимающие опоры 32 не только поддерживают желоб, но также прикладывают усилие сжатия, что является возможным, поскольку верхние края 16 желоба удерживаются верхними пластинами 20 кожуха, которые жестко подтянуты вниз посредством болтов 37. Горизонтальные поджимающие опоры 34 также прикладывают усилие сжатия в зоне, примыкающей к днищу желоба, причем указанные опоры расположены напротив друг друга для уравновешивания прикладываемых усилий. Таким образом, указанные поджимающие опоры держат желоб подвешенным внутри кожуха, оставляя при этом свободные пространства 40 и 42, отделяющие наружные поверхности желоба от кожуха, соответственно с боковых сторон и в области днища. Указанные поджимающие опоры принимают на себя все деформации расширения и сокращения желоба и кожуха, вызванные циклическим изменением температур, благодаря поджимающим шайбам 44, расположенным под головками 45 болтов, проходящих через поджимающие опоры 32 и 34.
В свободных пространствах 40 и 42 расположены слои 46 и 47 теплоизоляционного материала. Указанные слои могут быть выполнены из любого подходящего термостойкого теплоизоляционного материала, например, панелей из огнеупорной керамики, такой как керамика на основе оксида алюминия. Слои 46 и 47 являются более узкими, чем ширина пространств 40 и 42, по меньшей мере с боковых сторон желоба, и таким образом между слоями изоляции и внутренними поверхностями кожуха образуются незаполненные сплошные промежутки 49 и 50. Данные промежутки поддерживаются распорными болтами 48, которые отжимают слои изоляции от внутренней поверхности боковых пластин 22. Между слоями 46 и 47 изоляции и наружной поверхностью желоба 12 также образованы промежутки 51 и 52. Однако внешние промежутки 49 с боковых сторон кожуха целиком сообщаются с наружной атмосферой, поскольку они сообщаются с верхними отверстиями 54 и нижними отверстиями 55. Нижние отверстия 55 фактически представляют собой открытые каналы, проходящие по длине конструкции, которые образованы между боковыми пластинами 22 и нижней пластиной 23 кожуха, поскольку указанные пластины закреплены таким образом, что их края не сходятся. Верхние отверстия 54 представляют собой щели, выполненные в верхних пластинах 20 (см. фиг. 1). С каждой стороны желоба имеются несколько таких щелей, которые ориентированы в продольном направлении вдоль верхних пластин 20. Как указано стрелками на фиг.2, верхние и нижние отверстия 54 и 55 дают возможность наружному воздуху войти в промежутки 49, чтобы далее пройти вверх через указанные промежутки за счет конвекции, вызванной нагреванием воздуха, и выйти из промежутков и из кожуха через верхние отверстия 54. Таким образом, данные промежутки и отверстия обеспечивают охлаждение пассивного типа, которое отводит тепло из внутренней области конструкции, примыкающей к внутренней поверхности кожуха, и таким образом, способствует снижению температуры стенок кожуха, снижая тем самым вероятность коробления, деформации и повреждения, а также снижая риск получения ожогов оператором.
Промежуток 50 в области днища кожуха также сообщается с наружной атмосферой, благодаря тому что, как показано, данный промежуток соединен с боковыми промежутками 49. За счет такого соединения температура днища кожуха также снижается.
Ширина боковых промежутков 49 и размер отверстий 54 и 55 предпочтительно должны быть такими, чтобы через промежутки 49 проходил сравнительно медленный ламинарный поток воздуха без турбулентности, поскольку турбулентность может увеличить передачу тепла поперек промежутка. Оптимальная ширина промежутка зависит от высоты желоба, характеристик поверхности слоев 46 и 47 теплоизоляции, и конструкции верхней пластины 20, а также от давления, влажности и температуры воздуха, и таким образом оптимальная ширина может варьировать соответственно указанным параметрам. Однако промежуток шириной менее 2 мм трудно выдержать по всей длине конструкции из-за допусков на сварку и резку. С другой стороны, если указанный промежуток делать шире, то должна возрасти и ширина верхней пластины 20, а отсюда потребуется выполнить пластину из более толстого стального листа или предусмотреть поддерживающие ребра, чтобы противостоять изгибному моменту, вызываемому вертикальным сжатием огнеупорного желоба. По этим причинам промежуток шириной более 5,1 см или даже 2,5 см может представлять проблему, а промежутки шире, приблизительно, 1 см или даже 6 мм могут потребовать дополнительной конструктивной опоры для верхних пластин. Отверстия 54 и 55, в общем, должны быть выполнены подходящими по размеру и возможно по форме, чтобы способствовать плавному, ламинарному течению воздуха через промежутки, причем в действительности верхние отверстия 54 могут представлять наибольшую важность для управления течением воздуха. Надлежащее соотношение между размером отверстия и размером промежутка может быть выбрано экспериментально или путем компьютерного моделирования.
В представленном варианте осуществления изобретения промежутки 51 и 52, образованные с боковых сторон изолирующих слоев 46 и 47, обращенных к желобу, не сообщаются с наружной атмосферой, и поэтому они функционируют в качестве невентилируемых терморазрывов или воздушных зазоров, но в ином варианте конструкции указанные промежутки могут быть выполнены вентилируемыми путем устройства соответствующих отверстий, например, небольших верхних и нижних отверстий в изолирующих слоях 46 и 47, обеспечивающих сообщение промежутками 49 и 50, чтобы создать дополнительное охлаждение конструкции за счет вентиляции. Однако даже если такая дополнительная вентиляция не предусмотрена, промежутки 51 и 52 создают дополнительную тепловую изоляцию желоба от кожуха.
На фиг. 3 изображено, как может быть обеспечено поджатие торцевых фланцев 30, чтобы указанные фланцы могли воздействовать на торцы желоба 12. Фланцы 30 выполнены подвижными относительно остального кожуха, и прикреплены к болтам 60, которые проходят через соседнее ребро 25. Вращение головок 61 болтов подтягивает фланец 30 вдоль оси внутрь конструкции, а фланец в свою очередь оказывает давление на торец желоба 12 (фиг. 3). Поджимающие шайбы 62, расположенные между головкой 61 болтов и ребром 25, допускают незначительные перемещения желоба, вызванные его циклическим тепловым сокращением и расширением.
Хотя рассмотренный пример варианта осуществления является предпочтительным, если требуется, в него могут быть внесены изменения и осуществлены различные модификации. Например, изолирующие слои 46 и 47 могут быть целиком изъяты из конструкции, так что для защиты наружного металлического кожуха от воздействия высоких температур придется полагаться только на пассивную воздушную вентиляцию. Более того, когда такие изолирующие слои присутствуют, вентилируемый промежуток может быть предусмотрен на стороне желоба, а не на стороне кожуха, как это показано на чертеже, хотя это может привести к отъему большого количества тепла от желоба. Промежуток на той стороне изоляции, которая обращена к желобу, можно вентилировать пассивным способом, предусмотрев отверстия или щели в нижнем слое 47 изоляции, и в боковых слоях 46 изоляции вблизи верхней части. Наружный воздух тогда также бы входил через нижнее отверстие 55, а выходил через верхнее отверстие 54, или верхнее отверстие 54 можно было бы сместить в положение над промежутком на той стороне изоляции, которая обращена к желобу.
Конструкция, изображенная на фиг. 1-3, не включает в себя средств нагревания желоба внутри кожуха, но использование таких средств нагревания является возможным. Например, в промежутках 51 с каждой стороны желоба 12 могут быть предусмотрены электрические нагревательные элементы. Другие примеры конструкций желобов, содержащих средства нагревания, раскрыты в патенте США 6973955, выданном 13 декабря 2005 г. (содержание которого специально включено в настоящее описание посредством ссылки). Если предусмотрены такие средства нагревания, то желательно опорные стержни 35 вертикального и горизонтального поджатия выполнить частично или целиком из огнеупорного керамического материала, например, на основе оксида алюминия, а не из металла. Это связано с тем, что при использовании внутри кожуха средств нагревания стержни подвергаются действию более высоких температур, которые могут приводить к деформации металлических стержней или потере их прочности на сжатие.
В рассмотренном выше варианте осуществления изобретения желоб 12 представляет собой удлиненный желоб для расплавленного металла такого типа, какие применяются в системах раздачи расплавленного металла, используемых для передачи расплавленного металла из одного места (например, из металлоплавильной печи) в другое место (например, в литейную форму). Однако в соответствии с другими вариантами осуществления изобретения могут быть использованы иные виды сосудов для содержания и раздачи металла, например, сосуд со встроенным керамическим фильтром (например, фильтром из керамической пены), используемым для отделения частиц от струи расплавленного металла, когда металл проходит от металлоплавильной печи к литейному столу. В таком случае указанный сосуд включает в себя канал для передачи расплавленного металла с фильтром, установленным в канале. Примеры таких сосудов и систем для содержания расплавленного металла раскрыты в патенте США 5673902, выданном 7 октября 1997 г., и в международной заявке 2006/110974 А1, опубликованной 26 октября 2006 г.
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. 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 больших объемов расплавленного металла для его переноса из одного места в другое. Всех такие варианты конструкций содержат огнеупорный сосуд, расположенный в наружном металлическом кожухе, и, таким образом, могут быть модифицированы, чтобы включить в себя отличительные признаки изобретения, раскрытые в настоящем описании.