УДЛИНЕННОЕ ЗАПОРНОЕ УСТРОЙСТВО
ELONGATED CLOSURE SYSTEM

Настоящее изобретение относится к удлиненному запорному устройству для регулирования потока расплавленного металла, т.е. для регулирования потока расплавленного металла из металлургической емкости, например из разливочного устройства.
В сталелитейной промышленности хорошо известно использование цельного огнеупорного запорного штока, перемещающегося вертикально посредством подъемного механизма, для изменения площади сечения выпускного отверстия соответствующей металлургической емкости.
Такие запорные штоки также используются для введения в расплавленный металл инертного газа, например аргона, для удаления из расплавленного металла неметаллических включений.
Во всех случаях запорное устройство должно выдерживать многочасовое погружение в расплавленный металл. Оно также должно выдерживать резкий тепловой удар в начале разлива металла и прилагаемые к нему механические усилия.
До настоящего времени предпринималось много усилий по улучшению механических и термических свойств такого запорного устройства и улучшению его поведения в процессе эксплуатации.
В патенте ЕР 0358535 В2 описан цельный огнеупорный запорный шток, адаптированный к механизму подъема и включающий в себя удлиненный корпус запорного штока из огнеупорного материала, снабженный высверленным отверстием, имеющим продольную ось и проходящим от верхней поверхности указанного корпуса вниз. Внутри данного осевого высверленного отверстия вставлена металлическая втулка, в которую ввинчивается резьбовая часть металлического штока, вставляемого в указанный огнеупорный корпус для прикрепления к соответствующему подъемному механизму.
В запорном штоке, предназначенном для введения газа в расплав, важно обеспечить герметичность между огнеупорным корпусом и металлическим штоком для предотвращения существенной утечки указанного газа и проникновения воздуха.
Для улучшения необходимой герметичности предлагалось устанавливать между соответствующими уплотняемыми поверхностями кольцевой газонепроницаемый сальник. В соответствии с патентом ЕР 1135227 В1 осевое высверленное отверстие корпуса имеет расширенную часть, которая представляет собой круговую уплотняющую поверхность, удаленную от верхнего конца корпуса. Кольцеобразный графитовый сальник устанавливается на указанную круговую уплотняющую поверхность и взаимодействует с кольцом, расположенным на штоке.
Такая конструкция запора обеспечивает уплотнение в осевом направлении, между одинаковыми поверхностями, при этом при эксплуатации возникает риск нарушения уплотнения за счет увеличенного расширения металлического штока по отношению к окружающему керамическому корпусу.
Это же справедливо и для стопора, изготовленного в соответствии с патентом ЕР 0358535 В2.
В связи с этим, целью настоящего изобретения является удлиненного запорного устройства для регулирования потока расплавленного металла из содержащей расплавленный металл емкости, которое является простым в изготовлении и обеспечивает эффективную герметизацию.
Было обнаружено, что описанные выше недостатки возникают при более или менее полном зажимании герметизирующего средства между одинаковыми поверхностями за счет однонаправленных осевых усилий.
На фиг.1 изображен прототип известного из ЕР 0358535 В2 (рис.2). Одинаковые (параллельные) уплотняющие поверхности BS огнеупорного корпуса В и RS штока R могут вызывать только однонаправленное сжатие при вставке штока R в корпус В. То же самое верно, когда указанные поверхности BS и RS выполнены как изображено на фиг.1а.
В противоположность известной технике герметизации было обнаружено, что желаемая герметизация может быть существенно улучшена при сжатии герметизирующего элемента силами, действующими в различных направлениях, например, за счет введения радиального усилия дополнительно к осевым усилиям. Чем сильнее герметизирующий материал сжимается радиальными силами, тем эффективнее герметизация. Герметизация и соответствующая герметичность достигается во время всего рабочего цикла запорного устройства, т.е. при окружающей температуре, в процессе нагрева, при максимальной рабочей температуре и в процессе охлаждения.
Таким образом, герметизирующий элемент может быть размещен в пространстве, образованном между неодинаковыми поверхностями. Такими неодинаковыми поверхностями могут быть поверхности, образованные наружной поверхностью указанного стального штока и частью внутренней поверхностью указанного корпуса запора. Форма и размер пространства, образуемого этими уплотняющими поверхностями, изменяются в процессе сборки, например, при вставке металлического штока в высверленное отверстие корпуса запора, прилагая при этом сочетание радиальных и осевых сил, под воздействием которых герметизирующий элемент сжимается и деформируется для принятия новой формы в зависимости от заключительного положения уплотняющих поверхностей относительно друг друга.
Из коаксиального расположения металлического штока внутри высверленного отверстия следует, что герметизирующий элемент должен располагаться более или менее коаксиально и радиально относительно штока.
Герметизирующий элемент может быть свободно установлен в это положение в процессе сборки или запрессован внутри керамического корпуса в процессе формовки известным способом в данной области техники, становясь составным элементом общей структуры керамического корпуса запора.
Понятно, что герметизирующий элемент должен обладать способностью деформироваться при температуре окружающей среды, создавая при сборке газонепроницаемое уплотнение. В то же самое время, уплотняющий элемент должен выдерживать такие температуры, при которых запорное устройство используется. В то время как герметизирующий элемент должен сохранять свою новую форму после сборки, он должен также сохранять способность дальнейшей деформации при более высоких температурах, достигаемых в процессе эксплуатации.
В то время, как герметизирующий элемент может первоначально иметь кольцеобразную форму с искривленными или параллельными верхней и/или нижней поверхностями, после сжатия он должен приобретать любую форму в соответствии с формой поверхностей, к которым он прижимается.
В общем варианте осуществления настоящее изобретение относится к удлиненному запорному устройству для регулирования потока расплавленного металла из емкости, содержащей расплавленный металл, в котором указанное устройство включает в себя:
- корпус, изготовленный из огнеупорного керамического материала;
- высверленное отверстие, имеющее продольную ось и направленное вниз от верхней поверхности указанного корпуса;
- шток, входящий одним своим концом в указанное высверленное отверстие и неподвижно закрепленный внутри указанного корпуса;
- герметизирующий элемент, расположенный внутри пространства, прилегающего или являющегося частью указанного высверленного отверстия, при этом указанное пространство определяется по меньшей мере частично неодинаковыми участками поверхности указанного штока и указанного корпуса соответственно.
Герметизирующий элемент деформируется в процессе сборки при вставке указанного металлического штока в высверленное отверстие огнеупорного корпуса. Герметизирующий элемент таким образом приобретает новую конфигурацию, т.е. его внешняя форма изменяется.
В прототипе (Рис.1 из Европейского Патента ЕР 1135227 В1) изображено, что герметизирующий элемент сжимается только в осевом направлении одинаковыми поверхностями в процессе сборки, при этом площадь сечения герметизирующего элемента может уменьшиться, но его общая прямоугольная форма сечения сохранится. В отличие от этого, в новом запорном устройстве предусмотрено пространство для указанного герметизирующего элемента, при этом указанное пространство определяется неодинаковыми профилями уплотняющей поверхности (уплотняющих поверхностей) так, что герметизирующий элемент подвергается одновременно осевым и радиальным силам сжатия, приводящим к деформированию площади сечения (и изменению внешней формы) герметизирующего элемента. В то время как уменьшается пространство, в котором размещен герметизирующий элемент, герметизирующий материал деформируется и заполняет все прилегающие пространства, например пространство между высверленным отверстием керамического корпуса и основным участком металлического штока. Это далее описано подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Также, новая конструкция обнаруживает дополнительные преимущества при эксплуатации. В процессе эксплуатации (под высокой температурной нагрузкой) дифференциальное расширение под воздействием растущей температуры приводит к дополнительному радиальному расширению металлического опорного штока относительно окружающего его керамического корпуса и, следовательно, к повышенной эффективности уплотнения за счет дополнительного сжатия герметизирующего элемента в радиальном направлении.
При описании данного изобретения под неодинаковыми профилями уплотняющей поверхности понимаются противоположные поверхности, которые не идут параллельно друг другу.
В соответствии с одним вариантом выполнения по меньшей мере один из участков этой поверхности (профилей уплотняющих поверхностей), определяющей пространство для указанного герметизирующего элемента, направлен по меньшей мере частично, перпендикулярно продольной оси указанного высверленного отверстия.
В процессе эксплуатации, когда запорное устройство прикреплено к соответствующему подъемному механизму и направлено вертикально, этот участок поверхности располагается горизонтально. Эта горизонтальная часть может иметь расширенный участок высверленного отверстия. Указанный горизонтально ориентированный участок поверхности равен круговой уплотняющей поверхности 10 в соответствии с рисунком 1 патента ЕР 1135227 В1. Даже прилегающий участок вертикальной стенки соответствующего высверленного отверстия равен указанной конструкции прототипа. Решающее отличие заключается в том, что по меньшей мере одна из (противоположных) уплотняющих поверхностей позволяет многонаправлено сжимать герметизирующий элемент. Поэтому указанная дополнительная уплотняющая поверхность выполнена под углом >0 и <90° относительно продольной оси высверленного отверстия. Это легко достигается путем создания соответствующей скошенной поверхности участка штока, что далее описано со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Аналогичное многонаправленное сжатие имеет место, если соответствующая уплотняющая поверхность стального штока имеет изогнутый по радиусу профиль, а не угловую форму.
Описанная выше конструкция предусматривает расширенный участок высверленного отверстия в верхней части корпуса. В то время как шток может иметь соответственные участки различного диаметра, другой вариант осуществления изобретения предполагает устройство втулки в указанном расширенном участке высверленного отверстия. В таком варианте осуществления втулка заполняет цилиндрическое пространство между штоком и расширенным участком высверленного отверстия. В то же время, втулка образует одну из поверхностей, составляющих камеру, включающую в себя герметизирующий элемент (сальник). Таким образом, соответствующая уплотняющая поверхность указанной втулки может иметь ориентацию относительно продольной оси высверленного отверстия, которая отличается от по меньшей мере одного из участков поверхности, определяющей собой камеру, в которой располагается герметизирующий элемент.
Поперечное сечение указанного пространства может иметь любую форму, пока имеется по меньшей мере один участок поверхности, допускающий сжатие герметизирующего элемента многонаправленными силами. Таким образом по меньшей мере один участок поверхности высверленного отверстия или штока соответственно, формирующий указанное пространство, может быть направлен под углом >0 и <90° относительно продольной оси, или указанный участок поверхности может представлять собой искривленную поверхность.
Треугольное или пятиугольное поперечное сечение представляют собой две из множества возможных форм.
Как правило, предусматривается асимметричная форма поперечного сечения.
Как описано далее со ссылкой на прилагаемые чертежи, шток может иметь меньшую ширину на участке, прилегающем к указанному пространству, чем в его верхней части.
Указанная часть меньшей ширины может простираться ниже указанного пространства.
Герметизирующий элемент может быть выполнен из графита.
3
Подходящий герметизирующий элемент, удовлетворяющий вышеуказанным требованиям, может быть выполнен из сжатого графитового материала с чистотой >95 вес.% углерода и плотностью около 1,4 г/см.
Удобен в использовании кольцеобразный уплотняющий сальник.
Герметизирующий элемент может быть выполнен из намотанной ленты (катушка графитовой фольги). Витки указанного уплотняющего элемента должны в таком случае простираться в продольном направлении высверленного отверстия или штока соответственно. По другому варианту может оказаться полезным использовать герметизирующий элемент, изготовленный из ряда листообразных колец, одно поверх другого и соединенных вместе.
Указанный графитовый герметизирующий элемент (сальник) может использоваться при рабочих температурах, как правило, 800-1200°С без всяких проблем. При таких температурах указанные графитовые сальники не теряют своей прочности и не спекаются. С другой стороны, даже при таких температурах герметизирующий элемент сохраняет свою способность к дальнейшей деформации с целью как дальнейшего повышения эффективности механизма уплотнения, так и поглощения механических напряжений, которые, в противном случае, могли бы привести к механическим разрушениям в процессе эксплуатации.
Сжатый герметизирующий элемент проявляет эти необходимые свойства. Отсутствие поступления кислорода внутрь узла и инертная атмосфера, создаваемая инжекцией газа через осевое отверстие указанного штока и/или высверленное отверстие керамического корпуса, предотвращают ухудшение рабочих свойств при эксплуатации.
Самая важная отличительная черта изобретения заключается в том, что герметизирующий элемент деформируется в совершенно новую форму при вставке штока в керамический корпус, как описано выше. Он образует необходимый кольцевой профиль стыка, заполняя пространство между внешней поверхностью металлического штока и соответствующей стенкой высверленного отверстия керамического корпуса запора.
Герметизирующий элемент может быть установлен выше или ниже дополнительного крепежного средства, которое может быть выполнено как втулка с резьбовым отверстием, взаимодействующая с наружной резьбой штока.
Указанное крепежное средство может быть изготовлено из любого материала, отличного от материала огнеупорного корпуса, и достаточно прочного для размещения и закрепления соответствующего металлического штока. Например, крепежное средство может быть изготовлено из металла или специальной керамики, например нитрида кремния, циркония или оксида алюминия.
В данном описании изобретения под терминами "выше", "верхний", "нижний", "вниз" и т.д. следует понимать, что имеется в виду типовое использование такого запорного штока, который перемещается преимущественно вертикально.
Из приведенного выше описания очевидно, что при использовании указанного запорного устройства для введения газа соответствующий шток имеет осевое отверстие для подачи газа. Соответствующее высверленное отверстие корпуса должно иметь по меньшей мере одно отверстие в своем нижнем конце.
Далее частные случаи реализации настоящего изобретения приводятся в зависимых пунктах формулы и в прочих материалах заявки.
Далее изобретение будет описано на примере одного варианта выполнения, который ни в коей мере не ограничивает объема заявленного запорного устройства.
На фиг.2 схематически изображена верхняя часть запорного устройства в частичном продольном разрезе.
Запорное устройство включает в себя удлиненный огнеупорный корпус 10 с центральным высверленным отверстием 12, расположенным коаксиально относительно корпуса 10 и предназначенным для устойчивого размещения металлического штока 14 для прикрепления его к подъемному механизму (не показан).
1
2
Высверленное отверстие 12 имеет более или менее цилиндрическую форму. Оно имеет верхнюю часть 12u, охарактеризованную диаметром d, и нижнюю часть 12l, охарактеризованную меньшим диаметром d.
Переходный участок между верхней частью 12u и нижней частью 12l представлен кольцевой поверхностью 12а, на которой размещен кольцеобразный графитовый сальник 18. Этот сальник 18 изготовлен из графитовой фольги, смотанной в указанную кольцеобразную форму, изображенную на фиг.2.
Ниже указанного сальника 18 в корпусе из керамического огнеупорного материала 10 выполнена керамическая резьба 16 с внутренней резьбой 16t, в которую вворачивается соответствующий наружный резьбовой участок 14t штока 14.
3
2
Шток 14 сконструирован следующим образом: его нижняя часть 14l, имеющая указанную наружную резьбу 14t, имеет диаметр d, несколько меньший, чем диаметр d.
4
1
2
Верхняя часть 14u штока 14 имеет диаметр d, несколько меньший, чем d, но больший, чем d.
Как видно из фиг.2, зона перехода между нижней частью 14l и верхней частью 14u характеризуется скошенным участком 14s.
В то время как кольцевая поверхность 12а расположена перпендикулярно продольной оси А высверленного отверстия 12 и штока 14 соответственно, то скошенная уплотняющая поверхность 14s образует угол α около 45° относительно указанной оси А.
В процессе сборки, когда указанный шток 14 вводится (ввинчивается) в указанное высверленное отверстие 12, уплотняющая поверхность 14s сжимает герметизирующий элемент 18, который под воздействием многонаправленных сил, создаваемых наклонной уплотняющей поверхностью 14s, меняет свою форму и принимает новую (другую) сжатую форму, заполняя в то же самое время прилегающие пустоты (зазоры) между штоком 14 и высверленным отверстием 12. Это лучше всего показано на фиг.2а, который соответствует участку фиг.2, обведенному кругом, после того, как шток 14 был далее продвинут (вставлен) в корпус 10 (в направлении стрелки D).
Из фиг.2а очевидно, что внутреннее уплотнение между штоком 14 и корпусом 10 обеспечено, в основном, за счет неодинаковых (разных) участков поверхностей, формирующих пространство для размещения в нем герметизирующего элемента 18.
Периферический элемент герметизации далее при эксплуатации еще больше сжимается, и герметичность улучшается за счет сил радиального и осевого расширения, которое объясняется более высоким коэффициентом расширения стального опорного штока 14 в сравнении с коэффициентом огнеупорного керамического корпуса 10 запорного устройства.
Помимо этого иной профиль 14s, прилегающий к герметизирующему элементу 18, штока 14, в сочетании с соответствующим участком поверхностей 12а и внутренней стенкой 12i высверленного отверстия 12, создает средство деформации для герметизирующего элемента 18 в процессе сборки и при эксплуатации.
Эффект уплотнения может быть улучшен путем увеличения пространства, в котором деформируется герметизирующий материал. На фиг.2б изображен соответствующий вариант реализации изобретения, в котором профиль металлического штока 14 имеет выточку 14с, в которую выдавливается графитовый материал, деформируясь при движении штока 14, за счет чего увеличивается периферийная зона и повышается надежность герметичности.
На фиг.3 изображен другой вариант реализации запорного устройства. В этом варианте круговая уплотняющая поверхность 12а образуется верхней поверхностью гайки 16. Герметизирующий элемент 18 размещен непосредственно на гайке 16.
3
1
Шток 14 имеет постоянный диаметр d всей своей части, проходящей внутри корпуса 10, за счет чего образуется цилиндрическое пространство 22 между штоком 14 и верхней частью 12u отверстия 12 с увеличенным диаметром d.
Втулка 24 уставлена в указанное пространство 22. В своем нижнем конце втулка 24 представляет собой ножеобразный профиль 24k. Следует понимать, что различные профили 24k, изображенные слева и справа на фиг.3, представляют собой два различных варианта реализации изобретения, хотя на практике втулка изготавливается только с одним профилем.
Для того чтобы зажать различные компоненты (корпус 10, шток 14, втулку 24 и сальник 18), на верхней поверхности 10u корпуса 10 имеется тарельчатая шайба 26, в то время как пружинный диск 28 размещен между шайбой 26 и втулкой 24 для прижатия втулки 24 вниз (в направлении D) и в герметизирующее средство 18 для деформации герметизирующего средства 18 и заполнения им любых пространств (зазоров) между штоком 14 и внутренней стенкой 12i высверленного отверстия 12.
Изобретатели провели испытания для сравнения эффективности описанного нового газопродувного запорного устройства и в особенности его герметичности при использовании при приложенном давлении в 3 бар. Расход газа составлял 5 л в минуту.
Было показано, что полная и интенсивная герметичность была достигнута со времени запуска в процессе нарастания температуры (до примерно 900°С, что типично для температур, измеряемых в процессе практического использования) в течение по меньшей мере 45 мин, а также при последующем охлаждении.
При сравнительном испытании устройства - прототипа, когда сальник не применялся, герметичность была нарушена через 20 мин после нагревания.
В запорном устройстве - прототипе (при расположении сальника в пространстве прямоугольного сечения) герметичность уплотнения утрачивалась при температурах выше 800°С и не наблюдалось достаточной герметичности в ходе последующего охлаждения.