ОГНЕУПОРНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ РАЗЛИВОЧНЫЙ ЛИТЕЙНЫЙ СТАКАН
REFRACTORY CERAMIC CASTING NOZZLE

Изобретение относится к керамическому огнеупорному разливочному литейному стакану для металлургических применений. Термин «разливочный стакан» включает в себя все типы по существу трубчатых огнеупорных деталей, позволяющих металлическому расплаву протекать через соответствующий разливочный канал. Это включает в себя, среди прочего, так называемый погружной разливочный стакан (SEN) и так называемый кожух ковша (LS).
Огнеупорные керамические разливочные литейные стаканы этого типа зачастую имеют следующие признаки:
- огнеупорный керамический корпус по существу трубчатой формы с внутренней поверхностью разливочного стакана и с внешней периферийной поверхностью разливочного стакана,
- внутренняя поверхность разливочного стакана окружает разливочный канал, простирающийся вдоль осевой протяженности разливочного стакана между входным отверстием на первом конце разливочного стакана, являющимся верхним концом в положении использования разливочного стакана, и по меньшей мере одним выходным отверстием на втором конце разливочного стакана, являющимся нижним концом в положении использования.
Известный уровень техники и изобретение описываются в дальнейшем относительно кожуха ковша безотносительно иных применений.
Известный кожух ковша характеризуется цилиндрическим верхним (первым) концом разливочного стакана, следующей за ним (по направлению к нижнему, второму концу разливочного стакана) конусной секцией и следующей за ней другой цилиндрической секцией более малого внешнего диаметра по сравнению с верхней цилиндрической секцией. Такая конструкция также показана на приложенных чертежах.
Конусная секция внешней поверхности служит в качестве опорной поверхности для размещения кожуха в соответствующем кольце карданова подвеса держателя кожуха ковша.
Для предотвращения прямого контакта между кольцом карданова подвеса и внешней (керамической) периферийной поверхностью разливочного стакана является известным, кроме того, заключение верхнего конца разливочного стакана, включающего в себя конусную секцию, в соответствующую металлическую банку (металлическую оболочку), которую либо осаживают, либо прикрепляют раствором на внешней периферийной поверхности разливочного стакана.
Несмотря на такое «механическое укрепление» верхней части разливочного стакана, не удается избежать формирования трещин в пределах керамического материала. Такие трещины, главным образом, вертикальные трещины (в смонтированном положении кожуха ковша), зачастую возникают в регионе перехода между цилиндрической и конусной секциями, как упомянуто выше.
Поэтому цель данного изобретения состоит в предоставлении средств предотвращения или, по меньшей мере, уменьшения формирования трещин в типовом разливочном литейном стакане.
В процессе соответствующих испытаний было замечено, что сталь в контакте с огнеупором (металлическая банка в контакте с огнеупорным корпусом) в процессе металлургического применения нагревается и подвергается большему тепловому расширению, чем огнеупорный керамический корпус. В некоторый момент металл расширяется до точки, где он более не удерживает огнеупор в сжатом состоянии. Это ухудшает общую прочность разливочного стакана, прежде всего, на верхнем конце разливочного стакана и, таким образом, повышает опасность формирования трещин.
В рамках изобретения это явление принимается, но делается попытка компенсировать данный эффект путем предоставления между керамическим корпусом и металлической банкой материала, который создает силы сжатия, направленные в керамический корпус, когда разливочный стакан подвергается тепловой нагрузке.
Хотя различные тепловые коэффициенты расширения металла и керамики, соответственно, не могут быть, как таковые, преодолены, изобретение предоставляет средства, не только заполняющие зазор, образованный согласно различному тепловому поведению металла и керамики между соответствующими поверхностями металлической банки и керамического корпуса, но, кроме того, предоставляющие механическое сжатие на и в (зачастую кольцеобразном) верхнем конце разливочного стакана, в который соответствующий коллекторный разливочный стакан выступает в процессе металлического литья. Другими словами: под тепловой нагрузкой создаются механические силы сжатия между внешним металлическим кожухом (оболочкой) и соответствующим смежным участком поверхности керамического корпуса.
Эта сила сжатия может быть предоставлена расширяющимся под тепловой нагрузкой материалом.
В его самом общем варианте осуществления изобретение относится к керамическому огнеупорному разливочному литейному стакану, имеющему следующие признаки:
- огнеупорный керамический корпус по существу трубчатой формы с внутренней поверхностью разливочного стакана и с внешней (периферийной) поверхностью разливочного стакана,
- внутренняя поверхность разливочного стакана окружает разливочный канал, простирающийся вдоль осевой протяженности разливочного стакана между входным отверстием на первом конце разливочного стакана, являющимся верхним концом в положении использования разливочного стакана, и по меньшей мере одним выходным отверстием на втором конце разливочного стакана, являющимся нижним концом в положении использования, причем
- внешняя периферийная поверхность разливочного стакана первого конца разливочного стакана заключена в металлический кожух, который простирается, по меньшей мере, по части осевой протяженности первого конца разливочного стакана,
2
- по меньшей мере в одной кольцеобразной выемке, предусмотренной вдоль внешней периферийной поверхности разливочного стакана, между периферийной поверхностью разливочного стакана и металлическим кожухом размещен расширяющийся под тепловой нагрузкой, смонтированный в виде одной или нескольких кольцеобразных полос материал из вспучивающегося состава таким образом, чтобы позволять создание в керамическом огнеупорном корпусе сил сжатия величиной более 0,1 Н/мм.
Упомянутый материал может быть смонтирован между огнеупорным корпусом и металлической оболочкой различными способами.
Прежде всего, как указано выше, при применении к разливочным стаканам с цилиндрическим профилем на их верхнем конце, изобретение предоставляет разливочный стакан, в котором расширяющийся материал смонтирован в виде одной или нескольких подобных кольцам полос. Другими словами: материал может быть смонтирован как бандаж, пояс или кольцо, приложенное к цилиндрической внешней поверхности разливочного стакана в непрерывной форме.
Полосы могут быть приложены непосредственно к внешней поверхности (например, приклеены к огнеупорному материалу) и/или могут быть размещены в соответствующих кольцеобразных выемках, проложенных вдоль внешней периферийной поверхности разливочного стакана.
Эти варианты осуществления позволяют создавать силы сжатия впотай и/или в радиальном направлении.
Согласно другому варианту осуществления материал смонтирован в виде нескольких обособленных участков, размещенных на расстоянии друг от друга вдоль периферийной поверхности разливочного стакана. Эти «участки» могут быть представлены обособленными полосами произвольной формы, например полосами, удлиненными в вертикальном осевом направлении и размещенными на расстоянии друг от друга. В соответствии с изобретением эти полосы (участки) размещают в соответствующих выемках в пределах внешней периферийной поверхности разливочного стакана, но в принципе они могут быть непосредственно прикреплены (например, приклеены) к указанной поверхности.
Для достижения постоянных сил сжатия, является выгодным размещение участков с постоянными интервалами между ними.
2
2
В соответствии с изобретением вышеупомянутый материал размещают между периферийной поверхностью разливочного стакана и металлическим кожухом таким образом, чтобы позволять создание на и в огнеупорном керамическом корпусе силы сжатия величиной величиной более 0,1 Н/мм. Для улучшения описанных эффектов, упомянутая минимальная сила сжатия может быть увеличена до >0,2; >0,3; >0,6; >1,0; >2,0 или >3,0 Н/мм, причем силу сжатия измеряют согласно следующему протоколу:
1. этап: при комнатной температуре (22°С): круглый корпус (диаметр: 19 мм, толщина: 5 мм) из указанного материала размещают симметрично между двумя параллельными пластинами датчика давления;
2. этап: экспериментальную установку (содержащую датчик и корпус) размещают в печи и нагревают в течение 70 минут до 300°С;
3. этап: измеряют и регистрируют оказываемое корпусом на пластины датчика давление.
2
2
2
2
Такое же испытание может быть проведено на этапе 2 при нагреве до 400°С с требуемой силой сжатия по меньшей мере 1,0 Н/мм, по меньшей мере 1,9 Н/мм, предпочтительно >3 Н/мм, более предпочтительно >5 Н/мм.
Эти данные основываются на предпосылке, что вследствие неизбежного расширения металлической банки в большей мере по сравнению с тепловым расширением охватываемого ею огнеупорного материала, создается зазор, который указанный материал должен заполнить в процессе своего расширения.
С целью достижения данных эффектов, материал должен поддерживать необходимое давление при одновременной способности к заполнению любого зазора, создающегося в процессе эксплуатации в результате нагрева разливочного стакана.
Этот эффект может быть достигнут не только путем размещения указанного материала различными образами между банкой и огнеупорным материалом, но также путем изменения соответствующего объема указанного материала и/или путем выбора специального материала, позволяющего создавать требуемые усилия при конкретных условиях использования.
Подходящий материал является вспучивающимся составом.
Материал может быть представлен:
- расширяющимся графитом, и/или
- расширяющимся графитом с некоторым количеством интерстициальной воды, удаляемой прежде монтирования материала, и/или
- неорганическим расширяющимся материалом, таким как расширяющийся вермикулит и/или расширяющийся перлит, оба со связующим или без него.
Такие добавки как нерасширяющийся графит, резина, каучук, слюда и текучие среды могут быть добавлены в соответствующих объемах для регулирования требуемых свойств вспучивания.
Могут быть выбраны и другие материалы, обладающими одинаковыми или подобными свойствами.
Конкретный вспучивающийся материал может быть описан следующим образом, все твердые компоненты с размером зерна <1 мм:
22% по массе % расширяющегося графита,
20% по массе % нерасширяющегося графита,
9% по массе % связующего (новолачная смола),
9% по массе % воды,
16% по массе % неопреновой резины,
24% по массе % слюды,
и предоставляется путем накатывания соответствующих полос подходящей толщины и ширины, что позволяет его использовать описанным способом после высушивания при 30°С в течение 3 часов.
Как описано выше, расширяющийся материал может быть приложен на заданной осевой протяженности разливочного стакана. Это включает в себя следующие альтернативы:
- материал прикладывают на полную контактную поверхность между банкой и огнеупорным материалом.
- материал прикладывают, по меньшей мере, на заданной протяженности в нижнем направлении от верхнего конца разливочного стакана.
- материал прикладывают между банкой и огнеупорным материалом вдоль верхнего конца разливочного стакана.
- материал прикладывают между банкой и огнеупорным материалом вдоль верхнего конца разливочного стакана постоянного диаметра.
Кроме того, признаки изобретения описываются в зависимых пунктах формулы изобретения и других заявочных документах.
Изобретение далее описывается с отсылками на приложенный чертеж, который показывает, в каждом случае схематически, на:
Фиг. 1: вертикальный поперечный разрез верхнего конца кожуха ковша в контакте с соответствующим коллекторным разливочным стаканом согласно известному уровню техники.
Фиг. 2: верхний конец кожуха ковша согласно изобретению (в вертикальном поперечном сечении).
На фигурах идентичные или подобные детали идентифицируются одинаковыми числами.
Фиг. 1 показывает огнеупорный керамический разливочный литейный стакан, а именно, кожух 10 ковша, который содержит следующие признаки:
- огнеупорный керамический корпус 12 по существу трубчатой формы с внутренней поверхностью 12i разливочного стакана и с внешней периферийной поверхностью 12о разливочного стакана,
- внутренняя поверхность разливочного стакана окружает разливочный канал 14, простирающийся вдоль осевой протяженности L разливочного стакана между входным отверстием 16 на первом конце 18 разливочного стакана, являющимся верхним концом в положении использования разливочного стакана 10, и по меньшей мере одним выходным отверстием (не показано) на втором конце (не показан) разливочного стакана, являющимся нижним концом в положении использования, причем
- внешняя периферийная поверхность 12о первого конца 18 разливочного стакана заключена в металлическую банку/кожух 20, который простирается от самой верхней поверхности 18u первого конца 18 разливочного стакана в нижнем направлении к промежуточной секции 22 разливочного стакана, имеющей меньший по сравнению с внешним диаметром D1 кольцеобразной верхней поверхности 18u диаметр D3.
- как может видеть на фиг. 1, между цилиндрической верхней секцией (с диаметром D1) и секцией 22 с диаметром D3 имеется конусная секция, причем имеющая форму усеченного конуса конусная секция предоставляет соответствующую опорную поверхность для так называемого кольца GR карданова подвеса держателя кожуха ковша (не показан).
Коллекторный разливочный стакан CN выступает своим нижним концом в воронкообразное входное отверстие 16 разливочного стакана 10, причем между ними располагается кольцеобразное уплотнение S.
Прикладываемые коллектором CN к кожуху 10 силы и/или прикладываемые кольцом карданова подвеса к кожуху 10 силы обозначаются соответствующими стрелками на фиг. 1.
Новый кожух ковша показан на фиг. 2, и характеризуется кольцеобразной выемкой 24 вдоль внешней периферийной поверхности 12о первого конца 18 разливочного стакана, причем выемка 24 заполняется полосой (бандажом) из расширяющегося графитного материала 30, то есть вспучивающегося материала, который расширяется при температуре около 200°С, тем самым создавая обозначенные стрелками CF силы сжатия в смежном огнеупорном керамическом материале на первом конце 18 разливочного стакана.
2
Эти силы сжатия возникают вследствие теплового расширения графитного материала в пределах выемки 24, поскольку внешняя металлическая банка 20 замыкает выемку снаружи в радиальном направлении. Также и под тепловой нагрузкой, когда создается некоторый зазор между металлической банкой 20 и огнеупорным материалом первого конца 18 разливочного стакана, расширение графитного материала позволяет обеспечивать поддержание сил CF сжатия на требуемом уровне, то есть силы сжатия превосходят 0,6 Н/мм при температуре по меньшей мере 300°С.
Эти силы сжатия способны компенсировать любые нежелательные силы сжатия, создаваемые посредством соответствующего разливочного стакана CN, как показано на фиг. 1.
Как следствие, возникновение трещин, прежде всего вертикальных трещин, как показано на фиг. 1 ссылочным обозначением НС, либо предотвращено, либо значительно уменьшено.