Вогнетривкий керамічний ударопоглинаючий стакан

Реферат: Винахід належить до вогнетривкого керамічного ударопоглинаючого стакана. UA 103722 C2 (12) UA 103722 C2 UA 103722 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вогнетривкого, керамічного ударопоглинаючого стакану. Відповідному рівню техніки ударопоглинаючий стакан відомий, наприклад, з наступних публікацій: DE 102 35 867 B3, DE 102 02 537 C1, US 5,358,551. У всіх випадках мова йде про зменшення завихрень у металургійному резервуарі, які трапляються, коли металевий розплав попадає на тверду основу. Це, наприклад, відбувається в тому випадку, коли металевий розплав з ковша (ladle) з феростатичної висоти в кілька метрів попадає на дно проміжного розливного пристрою (tundish). Ударопоглинаючий стакан згідно US 5,358,551 має класичну форму стакану, у якого верхня вільна кінцева ділянка стінки повернута всередину. Металевий розплав після попадання на дно ударопоглинаючого стакану тече спочатку вздовж дна, потім вгору вздовж внутрішньої сторони стінки і, нарешті, навколо конічного прорізу ударопоглинаючого стакану наверх у розподільний резервуар. У варіанті згідно DE 102 35 867 B3 ударопоглинаючий стакан на його верхньому відкритому кінці виконаний з так званим дифузором, це означає, що поперечний переріз ударопоглинаючого стакану стає більшим в напрямку до верхнього розвантажувального кінця для того, щоб зменшити кінетичну енергію розплаву, який витікає. Пропозиція згідно DE 102 02 537 передбачає ударопоглинаючий стакан, стінка якого має щонайменше один паз, який простирається безперервно від краю (верхнього вільного кінця стінки) до дна, причому ширина паза в найширшому місці повинна становити менше, ніж 10 % від наявного в напрямку ширини розміру форми в плані. Звичайно ударопоглинаючі стакани мають колоподібну або прямокутну опорну поверхню. Відповідно, стінка є безкінечною або ж вона складається із чотирьох ділянок стінки. Опорна поверхня (форма в плані) може бути також іншою, наприклад овальною або яйцеподібною. Відповідно до винаходу, насамперед, виходять із ударопоглинаючих стаканів, які виконані дзеркально-симетричними відносно вертикальної площини. Нижченаведені дані відносяться в кожному випадку до функціонального положення ударопоглинаючого стакану, у якому дно ударопоглинаючого стакану лежить на дні або в дні металургійного резервуара, а стінка ударопоглинаючого стакану простирається по суті вертикально від дна і, таким чином, по суті вертикально від дна металургійного резервуара. Ударопоглинаючий стакан згідно DE 102 02 537 C1 приводить до того, що металевий розплав, який попадає в ударопоглинаючий стакан, щонайменше, частково стікає збоку через бічний паз. Через відносно незначну ширину паза розплав, який протікає через паз, може мати значну швидкість потоку. Таким чином, обумовлюються додаткові завихрення потоку. Стаття "Melt Flow Characterization in Continuous Casting Tundishes" (ISIJ International, Vol. 36 (1996), № 6, p. 667-672) визначає так званий корковий режим потоку (plug flow), при якому всі елементи текучого середовища мають однаковий час перебування (час утримання, residence time) у проміжному розливному пристрої і так званий мертвий об'єм (dead volume). Мертвий об'єм характеризує частку текучого середовища, час перебування якого більше ніж у два рази, ніж середній час перебування розплаву в проміжному розливному пристрої. Ці характеристики далі феноменологічно переносяться на потік металевого розплаву в проміжному розливному пристрої, у якому інтегрований ударопоглинаючий стакан (impact pad, impact pot) відповідно до винаходу. Завданням винаходу є створення ударопоглинаючого стакану, який дозволяє здійснювати наступні оптимізації: - спрямоване проведення металевого розплаву в ударопоглинаючому стакані і проміжному розливному пристрої, - мінімізація завихрень потоку в проміжному розливному пристрої, - незначне зношування ударопоглинаючого стакану, - висока частка текучого середовища з корковим режимом потоку в проміжному розливному пристрої, - невеликий мертвий об'єм у проміжному розливному пристрої, - малі витрати на виготовлення ударопоглинаючого стакану. Для того щоб створити ударопоглинаючий стакан, який відповідає як можна більшій кількості цих вимог, були проведені широкі випробування і дослідження, насамперед стосовно покращеного режиму руху потоку металевого розплаву. При цьому був досліджений: - режим руху потоку розплаву після потрапляння на дно ударопоглинаючого стакану, - режим потоку розплаву в ударопоглинаючому стакані, - режим руху потоку при виході з ударопоглинаючого стакану, - режим руху потоку розплаву після виходу з ударопоглинаючого стакану у ванні розплаву відповідного металургійного резервуара. 1 UA 103722 C2 5 10 15 20 25 Було встановлено, що відома геометрія ударопоглинаючого стакану, насамперед, відносно режиму руху потоку розплаву при виході з ударопоглинаючого стакану і при наступному вході у ванну розплаву відповідного металургійного резервуара вимагає покращення. Краще, якщо частина розплаву в об'ємному потоці відносно великої площі поперечного перерізу відводиться з ударопоглинаючого стакану збоку. При цьому напрямок потоку є по суті горизонтальним або під кутом < 70°, насамперед < 45° до горизонталей. Далі, сприятливим виявилося виконання ударопоглинаючого стакану таким чином, що об'ємний потік, який виходить збоку, розширюється вгору (у напрямку до вільної верхньої кінцевої ділянки ударопоглинаючого стакану). В результаті це привело до геометрії ударопоглинаючого стакану, при якій стінка ударопоглинаючого стакану має щонайменше один проріз (наприклад, паз) зі специфічним профілем поперечного перерізу. Від дна ударопоглинаючого стакану вгору до вільної кінцевої ділянки стінки ширина прорізу (у напрямку вздовж окружності) збільшується, що означає, що в щілиновидного прорізу збільшується відстань між бічними сторонами, які обмежують паз збоку. Таким чином, збоку з ударопоглинаючого стакану виводиться відносно широкий об'ємний потік з відносно невеликою швидкістю потоку у верхній ділянці ударопоглинаючого стакану. Аналогом є об'ємний потік, який виходить збоку поруч із дном ударопоглинаючого стакану, являється вузьким і має більше значну швидкість потоку. Завдяки такому профілю потоку зменшуються завихрення при вході в металевий розплав у металургійному резервуарі. Це приводить до меншої ерозії вогнетривкого матеріалу ударопоглинаючого стакану, насамперед в області бічних сторін (обмежень) прорізу. Відповідно, менша кількість забруднень (сторонніх речовин) попадає в металевий розплав у проміжному розливному пристрої. Інша частина об'ємного потоку виходить із ударопоглинаючого стакану, як відомо, нагору. Специфічна геометрія прорізу і обумовлений цим специфічний потік розплаву збоку через проріз у стінці ударопоглинаючого стакану також веде до бажаного зменшення мертвого об'єму в проміжному розливному пристрої і до більше високої частки коркового режиму потоку, як показано в нижченаведеній таблиці: Мертвий об'єм 28 % 30 35 40 45 50 24 % 28 % 26 % 24 % Ударопоглинаючий стакан із закритою стінкою аналогічно US 5358551 Ударопоглинаючий стакан з вузьким, прямим пазом згідно DE 102023537 C1 Ударопоглинаючий стакан згідно п. 1 і фіг.4 Корковий режим потоку 30 % Виконання прорізів з відносно великим поперечним перерізом в області стінки ударопоглинаючого стакану приводить до того, що потрібно застосовувати меншу кількість вогнетривкого матеріалу. Це скорочує витрати на виготовлення. У своїй найзагальнішій формі здійснення винахід відноситься до вогнетривкого, керамічного ударопоглинаючого стакану з наступними ознаками в його функціональному положенні: - дном з нижньою опорною поверхнею і верхньої ударопоглинаючою поверхнею, - стінкою, яка складається з декількох ділянок, яка простирається від дна нагору до вільного кінця, причому стінка з її внутрішньою стороною і ударопоглинаюча поверхня обмежують простір, який відкритий на його протилежному дні верхньому кінці, - щонайменше одна ділянка стінки має щонайменше один проріз, який проходить безперервно від внутрішньої сторони до зовнішньої сторони стінки і обмежується протилежними бічними сторонами, - проріз має наступний профіль поперечного перерізу: - при розгляді в напрямку периметра стінки проріз має його найбільшу ширину суміжно з вільною кінцевою ділянкою, - при розгляді в напрямку периметра стінки проріз має його найменшу ширину суміжно із дном, - найбільша ширина прорізу становить більше 5 % загального периметра стінки ударопоглинаючого стакану, - у поздовжньому напрямку, від верхнього вільного кінця стінки вертикально вниз у напрямку дна проріз простирається із профілем, у якого більше 70 % його поперечного перерізу проходить у верхній половині, суміжній з вільною кінцевою ділянкою стінки. На вигляді збоку для прорізу систематично виходить геометрія, у якої відстань між бічними сторонами прорізу вгорі 2 UA 103722 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 значно більша, ніж унизу. Можливі профілі поперечного перерізу зображені і пояснені в нижченаведеному описі фігур. Проріз може проходити вгору, так що переривається вільний кінець стінки. Але проріз може також проходити в стінці у вигляді переривчастого прорізу і з усіх боків бути оточений ділянками стінки. В інтересах оптимізованого потоку і розподілу потоку кращими є профілі поперечного перерізу, які виконані дзеркально-симетричними до площини, яка перпендикулярно відходить від внутрішньої сторони стінки, виражаючись інакше: площина симетрії проходить радіально в ударопоглинаючого стакану з колоподібною формою в плані (дном), стінка якого має циліндричну поверхню окружності. Режим потоку оптимізується, якщо проріз має склепінчасті бічні сторони, насамперед між ділянками найбільшої ширини і найменшої ширини. При цьому на вигляді збоку виходить профіль прорізу, схожий з воронкою або форсункою. Інші форми здійснення передбачають, що проріз в області між найбільшою і найменшою шириною має опуклі або ввігнуті склепінчасті бічні сторони відносно середньої поздовжньої осі прорізу. Це означає, що ширина прорізу між ділянками найбільшої ширини і найменшої ширини постійно зменшується. Відповідно до однієї форми здійснення проріз закінчується на відстані від дна. Із цього слідує, що всередині ударопоглинаючого стакану утворюється донний піддон, у якому постійно при процесі лиття знаходиться металевий розплав. Проріз повинен би простиратися щонайменше на 20 % висоти стінки. У цій формі здійснення на 80 % висоти ударопоглинаючого стакану не було б ніякого прорізу в стінці. Розплав у цьому випадку випливав би з ударопоглинаючого стакану тільки в області верхньої ділянки стінки збоку щонайменше через один проріз. Цей режим потоку оптимізується, якщо проріз простирається по більшій частині висоти стінки, наприклад більше ніж 40 %, більше ніж 50 %, більше ніж 60 % або більше ніж 70 %. Область стінки ударопоглинаючого стакану без бічного прорізу може відповідати щонайменше 20 % висоти стінки, рахуючи від дна. Це відповідає максимальній довжині прорізу на 80 % висоти стінки, рахуючи від її верхнього кінця. Для того щоб направлено провести розплав від внутрішньої частини ударопоглинаючого стакану до прорізу, одна форма здійснення винаходу передбачає оснащення внутрішньої сторони стінки між ударопоглинаючою поверхнею дна і прорізом нахилом < 90° до горизонталей. Виникає свого роду "похила поверхня напливу", вздовж якого розплав після попадання на ударопоглинаючу поверхню відводиться не тільки збоку, але й збоку вгору, а саме, цілеспрямовано до відповідного прорізу. Також ця форма здійснення більш докладно представлена в нижченаведеному описі фігур. Згадана останньою форма здійснення передбачає, що проріз закінчується на відстані від дна ударопоглинаючого стакану. Але проріз також може проходити безперервно від вільного кінця до дна. Це принципово відповідає формі здійснення згідно DE 102 02 537 C1. Вирішальна відмінність від відомого ударопоглинаючого стакану полягає в тому, що паз (проріз) у стінці ударопоглинаючого стакану відповідно до винаходу є значно більшим і, насамперед, відрізняється тим, що поперечний переріз прорізу значно збільшується в напрямку верхнього краю (вільної кромки) стінки. Найбільша ширина прорізу відповідно до винаходу становить більше ніж 5 % загального периметра стінки ударопоглинаючого стакану. Для ударопоглинаючого стакану із квадратною опорною поверхнею і, відповідно, чотирма рівними ділянками стінки це означає, що найбільша ширина прорізу становить більше ніж 20 % ширини відповідної ділянки стінки. Це значення відповідно до винаходу дійсне також для ударопоглинаючих стаканів із прямокутною формою в плані, а саме, з умовою, що значення ширини прорізу в кожному випадку відноситься до ділянки стінки, у якій лежить проріз. В ударопоглинаючих стаканів з колоподібним дном і, відповідно, циліндричною поверхнею стінки найбільша ширина прорізу становить більше ніж 5 % загального периметра стінки ударопоглинаючого стакану. Якщо стінка розділена на чотири рівних ділянки, значення для найбільшої ширини прорізу відносно кожної ділянки становить більше ніж 20 %. Це аналогічно застосовується для форм здійснення винаходу з овальною формою в плані. Для інших геометричних форм наряду з умовою, що найбільша ширина прорізу повинна становити більше 5 % загального периметра стінки, діє наступна додаткова умова: найбільша ширина прорізу повинна бути більше 20 % чверті загального периметра стінки. Найбільша ширина обмежена 25 % загального периметра стінки ударопоглинаючого стакану. Найменша ширина прорізу (на кінці прорізу/паза, який є суміжним із дном ударопоглинаючого стакану) становить, наприклад, < 4 %, < 2,5 %, < 1,5 %, 100 мм, > 150 мм, > 200 мм, > 250 мм, > 300 мм, - для найменшої ширини: < 100 мм, < 50 мм, < 25 мм, < 10 мм. Відповідно до однієї форми здійснення винаходу відповідні бічні сторони прорізу між внутрішньою стороною стінки і відповідною зовнішньою стороною стінки розташовані з відстанню, яка збільшується. Внаслідок цього виникає свого роду "дифузор", який приводить до того, що поверхня поперечного перерізу прорізу між внутрішньою стінкою і зовнішньою стінкою ударопоглинаючого стакану збільшується (з віяловидним розширенням). Таким чином, у ванну розплавленого металу металургійного резервуара подається балоновидний об'ємний потік, що приводить до зменшення завихрення в металургійному резервуарі. У цьому прикладі винаходу бічні сторони можуть бути опуклими до зовнішнього середовища, за рахунок чого посилюється ефект. Інші ознаки винаходу слідують із ознак залежних пунктів формули винаходу, а також з інших матеріалів заявки. При цьому названі ознаки можуть бути окремо або в будь-яких сполученнях бути істотними для здійснення винаходу. Якщо настійно не виключено, ознаки окремих прикладів здійснення можуть бути скомбіновані між собою, якщо це є технічно принципово можливим. На фігурах показано, у кожному випадку в схематичному зображенні: Фігура 1: вигляд ударопоглинаючого стакану в перспективі, Фігура 2: можливі форми поперечного перерізу прорізу в стінці ударопоглинаючого стакану, Фігура 3: вигляд у перспективі іншої форми здійснення ударопоглинаючого стакану, Фігура 4: вигляд зверху, поздовжній розріз, а також вигляд збоку третьої форми здійснення ударопоглинаючого стакану. Ударопоглинаючий стакан згідно фіг. 1 виконаний наступним чином. Він має прямокутне дно 10 з нижньою опорною поверхнею 10g і верхньою ударопоглинаючою поверхнею 10p. Від крайової області дна 10 проходить стінка 20, яка, відповідно, містить чотири ділянки 20a, 20b, 20c, 20d стінки. Стінка 20 з її внутрішньою стороною 20i і ударопоглинаюча поверхня 10p обмежують простір 30, який відкритий у напрямку вгору, тобто в протилежному дну напрямку. Вільний кінець 20k ділянок 20a-20d витягнуть всередину, так що між вертикальними областями ділянок 20a-20d стінки і вільним кінцем 20k (кінцева ділянка) виходить відповідний внутрішній паз 20h. У ділянці 20а стінки виконаний проріз 40, який простирається від вільного кінця 20k до половини висоти H ділянки 20а стінки. Вертикальна висота h прорізу 40 відповідає приблизно 0,6 H. Проріз має його найбільшу ширину Bg на його верхньому кінці і його найменшу ширину Bk на нижньому кінці. Між ними бічні сторони 40f прорізу 40 відносно середньої поздовжньої осі ММ прорізу 40 є опуклими із дзеркальною симетрією відносно одна одної, так що утворюється безперервне зменшення геометрії поперечного перерізу від верхнього кінця до нижнього кінця прорізу. Бічні сторони 40f проходять під кутом 90° до внутрішньої сторони 20i стінки 20. Найбільша ширина Bg прорізу 40 становить приблизно 35 % середньої довжини L відповідної ділянки 20а стінки і, відповідно, приблизно 9 % загального периметра стінки 20. Металевий розплав, який втікає в ударопоглинаючий стакан (схематично позначений стрілкою S), спочатку попадає на ударопоглинаючу поверхню 10p і потім розподіляється вздовж ударопоглинаючої поверхні 10p до того, як він протече наверх вздовж внутрішньої сторони 20i стінки 20. У той час як розплав змінює напрямок в області ділянок 20b, 20c, і 20d і потім в області виконаного із внутрішнім пазом вільного кінця 20k, і направляється вверх із ударопоглинаючого стакану (те ж дійсно для розплаву, який тече вздовж стінки 20а поруч із прорізом 40), значна об'ємна частка розплаву виходить із простору 30 через проріз 40. Швидкість потоку зменшується аналогічно, ширині прорізу 40, яка збільшується. Напрямок потоку на вузькому кінці прорізу 40 є майже горизонтальним, на верхньому широкому кінці направлений під нахилом вгору. Таким чином, виникає краща подача розплаву з ударопоглинаючого стакану у відповідний металургійний резервуар або ж у розплав, який перебуває там. На фіг. 2 показані можливі форми прорізу 40 стінки. Номер 1 виконаний схожим із прикладом на фіг. 1, але при цьому проріз проходить униз до області дна. Варіант №2 наближений до профілю поперечного перерізу лійки. У варіанта №3 бічні сторони прорізу проходять у вигляді чашки. Проріз відповідно до варіанта №4 повністювиконаний у стінці 20 і в іншому відповідає верхній частині варіанта №2. У варіанті №5 бічні сторони не є опуклими, а виконані східчастими. 4 UA 103722 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Геометрія поперечного перерізу згідно варіанта №6 схожа з геометрією поперечного перерізу кубка. Приклад здійснення згідно фіг. 3 відрізняється від приклада здійснення згідно фіг. 1 тим, що проріз 40 проходить до дна 10, тобто до ударопоглинаючої поверхні 10p, і в його нижній ділянці виконаній у вигляді паза з постійною шириною Bk. Наступна відмінність від приклада здійснення згідно фіг. 1 полягає в тому, що бічні сторони 40f відкриваються в напрямку до зовнішньої сторони 20s стінки 20а, за рахунок чого досягається додаткова дифузорна дія при витіканні металевого розплаву з ударопоглинаючого стакану. У прикладі здійснення згідно фіг. 4 істотна відмінність від інших представлених прикладів здійснення полягає в тому, що внутрішня сторона 20i стінки 20 під кутом α приблизно 45° (до горизонталей) піднімається від ударопоглинаючої поверхні 10p у напрямку прорізу 40, за рахунок чого утворюється свого роду похила поверхня напливу для металевого розплаву в напрямку до прорізу 40. Як показано на вигляді збоку, проріз 40 кінчається схожим чином, як у прикладі здійснення згідно фіг. 1, на відстані від ударопоглинаючої поверхні 10p і, схожим чином з фіг. 3 має область дифузора. Для всіх варіантів здійснення дійсно наступне. Ударопоглинаючий стакан складається з вогнетривкого керамічного матеріалу, наприклад, на основі оксиду магнію, хроміту магнію, бокситу, Al 2О3 або сумішей з перерахованого вище. Сприятливими є ударопоглинаючі стакани, у яких верхня вільна кінцева ділянка стінки (частини стінки) розширена всередину, так що розплав, який виходить з ударопоглинаючого стакану наверх, спочатку перенаправляється всередину. Опорна поверхня ударопоглинаючого стакану є фактично будь-якою. Ударопоглинаючі стакани з колоподібним дном і циліндричною стінкою, а також ударопоглинаючі стакани із прямокутним, насамперед квадратним, дном і, відповідно, які проходять під прямим кутом один до одного чотирма ділянками стінки є, однак, однозначно кращими щодо виготовлення і режиму потоку. У кожному ударопоглинаючому стакані з боку стінки виконаний щонайменше один проріз описаного типу. Насамперед, в ударопоглинаючих стаканів із прямокутним поперечним перерізом можуть бути виконані аналогічні прорізи в протилежних ділянках стінки. Кожний проріз у його суміжній із дном ділянці значно вужчий, ніж у ділянці, суміжній з верхнім краєм (верхньою кромкою) стінки ударопоглинаючого стакану. Внаслідок цього на вигляді збоку систематично утворюється поперечний переріз профілю, у якого ширина прорізу зменшується зверху вниз. Тільки так можна відводити збоку бажаний об'ємний потік і досягати бажаного розподілу швидкості потоку. Істотним також є те, що щонайменше 70 % загального поперечного перерізу кожного прорізу проходить у ділянці, яка визначає верхню половину стінки, при розгляді у вертикальному напрямку. У всіх випадках для металевого розплаву, який витікає, із цього виходить, що потік розплаву розширюється в області прорізу знизу нагору і вгорі має меншу швидкість потоку, ніж внизу. Напрямок потоку може бути встановлений за рахунок відповідної конструкції бічних сторін прорізу, насамперед так у змісті напрямку потоку так, що поперечний переріз об'ємного потоку збільшується з відстанню, яка збільшується, від ударопоглинаючого стакану. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 60 1. Вогнетривкий керамічний ударопоглинаючий стакан, який містить наступні елементи в його функціональному положенні: 1.1 дно (10) з нижньою опорною поверхнею (10g) і верхньою ударопоглинаючою поверхнею (10р), 1.2 декілька ділянок (20a-d) стінки (20), яка простирається від дна (10) нагору до вільного кінця (20k), причому стінка (20) з її внутрішньою стороною (20і) і ударопоглинаюча поверхня (10р) обмежують простір (30), який відкритий на його верхньому кінці (10), що протилежний дну, 1.3 щонайменше одну ділянку (20а) стінки (20) має щонайменше один проріз (40), який безперервно проходить від внутрішньої сторони (20і) до зовнішньої сторони (20s) стінки (20) і обмежений протилежними бічними сторонами (40f), 1.4 при цьому проріз (40) має наступний профіль поперечного перерізу: 1.4.1 при розгляді в напрямку периметра стінки (20) проріз (40) має його найбільшу ширину (Bg) суміжно вільному кінцю (20k), 1.4.2 при розгляді в напрямку периметра стінки (20) проріз (40) має його найменшу ширину (Вk) суміжно дну (10), 5 UA 103722 C2 5 10 15 20 25 30 1.4.3 проріз (40) простирається більше ніж на 40 % висоти (Н) стінки (20), 1.4.4 найбільша ширина (Bg) прорізу становить більше 5 % загального периметра стінки (20) ударопоглинаючого стакана, 1.4.5 у поздовжньому напрямку, від верхнього вільного кінця (20k) стінки (20) вертикально вниз у напрямку дна проріз простирається із профілем, у якому більше 70 % його поперечного перерізу проходить у верхній половині стінки (20), суміжній вільному кінцю (20k) стінки (20). 2. Ударопоглинаючий стакан за п. 1, у якому проріз (40) в області між найбільшою шириною (Bg) і найменшою шириною (Вk) має склепінчасті бічні сторони (40f). 3. Ударопоглинаючий стакан за п. 1, у якому проріз (40) в області між найбільшою шириною (Bg) і найменшою шириною (Вk) має склепінчасті бічні сторони (40f) відносно середньої поздовжньої осі прорізу (40). 4. Ударопоглинаючий стакан за п. 1, у якому проріз (40) закінчується на відстані від дна (10). 5. Ударопоглинаючий стакан за п. 4, у якому внутрішня сторона (20і) стінки (20) між ударопоглинаючою поверхнею (10р) дна (10) і прорізом (40) проходить під нахилом