Стійка до утворення тріщин клапанна дошка для засувки, що контролює потік розплавленого металу

Цей винахід взагалі стосується клапанних дощок, що використовуються в шиберних засувках для контролю потоку розплавленого металу, і, зокрема, стосується клапанної дошки, стійкої до утворення тріщин, спричинених термомеханічними навантаженнями. Шиберні засувки звичайно використовуються для контролю потоку розплавленого металу в сталеварінні та інших металургійних процесах. Такі засувки звичайно складаються з опорної рами, верхньої нерухомої клапанної дошки, що має отвір у шибері з розливним пристроєм або стаканом сталерозливного ковша для пропускання потоку розплавленого металу, і дросельної дошки, що також має отвір для пропускання металу, яка є ковзною рухомою під нерухомою клапанною дошкою. У шиберних засувках, що використовуються у взаємодії з кристалізаторами машини безперервного лиття, нижня нерухома клапанна дошка встановлюється під рухомою дросельною дошкою, яка також має отвір для пропускання потоку металу, який в основному суміщається з отвором верхньої нерухомої клапанної дошки. Потужність потоку розплавленого металу залежить від ступеню суміщення отвору ковзної рухомої дросельної дошки з отвором верхньої нерухомої дошки. Рухома дросельна дошка є звичайно довшою за нерухому дросельну дошку для того, щоб вона була здатна дроселювати потік розплавленого металу передніми й задніми краями власного отвору, а також повністю перекривати потік шляхом повного зсуву свого отвору за межі суміщення з отворами нерухомої дошки. Звичайно дросельна дошка пересувається способом ковзання між нерухомими дошками за допомогою гідравлічного важільного механізму. Дросельна дошка й нерухома дошка встановлюються у відповідних нижньому та верхньому заглибленнях і кожна з цих дощок знаходиться в заглибленні в поверхні, яка стає її опорною поверхнею і взаємодіє з іншою дошкою через поверхню, яка стає її ковзною або робочою поверхнею. Як дросельна дошка, так і нерухомі дошки таких шиберних засувок виробляються з жаростійких та стійких до ерозії вогнетривких матеріалів, таких як глинозем, глинозем, оброблений вуглецем, діоксид цирконію. Однак, незважаючи на жаростійкість та ерозійну стійкість таких вогнетривів, серйозні термомеханічні навантаження, яким вони піддаються, кінець кінцем спричиняють утворення певних тріщин. Наприклад, у сталеварінні кожна клапанна дошка піддається впливу температур приблизно в 1600°С у зоні, що безпосередньо оточує її отвір, який пропускає потік металу, в той час як її зовнішні краї піддаються впливу тільки температури навколишнього середовища. Спричинений цим великий температурний градієнт створює велике термомеханічне навантаження, оскільки зона кожної дошки, яка безпосередньо оточує отвір, розширюється в значно більшій мірі, ніж інша частина дошки. Ці навантаження спричиняють утворення тріщин, які розходяться назовні від отвору дошки. Якщо нічого не робити, щоб стримати розширення цих тріщин, вони можуть досягти зовнішніх країв дошки, спричиняючи її руйнування. Для запобігання розширенню таких тріщин та подальшому руйнуванню клапанних дощок були розроблені різні рішення у відомому рівні техніки. Першою спробою була розробка вдосконалених затискних пристроїв. Призначення цих пристроїв полягає в застосуванні достатнього тиску навколо периметра дошки так, щоб тріщини, що розходяться від отвору, не розширювалися до країв дошки. Один такий пристрій складається з рами, що має регульовані гвинтами клини, які зчіплюються з кутами дошки, що обрізані під кутом, який є взаємодоповнюючим до кута клинів. Така система описана в документі DE-C23,522,134. Хоча така рама та клинові затискні пристрої є прогресом, винахідники помітили деякі недоліки в цій конструкції, які перешкоджають їй досягти її повного потенціалу сповільнення утворення тріщин. Звичайно зусилля затиску не зосереджені рівномірно в тому місці, де з'являється максимальна кількість тріщин, тобто, біля отвору, де наявні найбільші термомеханічні навантаження. Крім того, заявники помітили, що звичайно кутове спрямування зрізаних кутів у таких дошках оптимально не запобігає розширенню тріщин, як вважалося раніше. Така неоптимальність випливає з того, що утворення тріщин не розподіляється рівномірно на 360° навколо отвору, а замість цього зміщується по поздовжній осьовій лінії всіх клапанних дощок, як нерухомих, так і рухомих. Вважається, що такий асиметричний розподіл тріщин навколо отворів дошки має місце в результаті поздовжнього ковзного руху дросельної дошки по поверхнях нерухомих дощок. Патент USP 5,626,164 описує стійку до утворення тріщин клапанну дошку; форма зазначеної дошки була розроблена для запобігання утворенню й розширенню тріщин у ній. Ця дошка має вісь і отвір для пропускання розплавленого металу, який розміщується на зазначеній осі, та зрізані кути для зосередження зусилля затиску до зазначеної осі біля зазначеного отвору, і кожний із зазначених зрізаних кутів є ортогональним до лінії, що проходить між точкою дотику до зазначеного отвору, через зазначену вісь і через перетин ліній, паралельних до країв дошки, що сходяться, які віддалені від зазначених країв на відстань, що дорівнює половині ширини зазначеного отвору. У документі WО-A1-98/05451 описується варіант цього рішення, в якому визначені кути між бічними гранями дошки для того, щоб збільшити довговічність дошки. Хоча рішення патенту USP 5,626,164 вже є очевидним прогресом у порівнянні з раніше відомим рішенням, заявники спробували ще більше оптимізувати форму до шки. Очевидно, необхідна клапанна дошка, форма якої оптимально зосереджує зусилля затиску в найбільш схильних до утворення тріщин зонах дошки, щоб максимально сповільнити подовження будь-яких таких тріщин. В ідеалі кути повинні мати довжину, достатню для то го, щоб уникнути утворення небажаних місцевих механічних навантажень на кутах. На Фіг. 2 документа DE-A1-19531353 зображена дошка шиберної засувки згідно з преамбулою до пункту 1. Краї, що є найближчими до зливного отвору, злегка нахилені відносно напрямку прямокутного подовження. Було визначено, що з таким спрямуванням країв висока напруга при розтягненні виникне навколо зливного отвору і може при використанні спричинити тріщини, що розходяться від отвору до сторін дошки, паралельних до напрямку прямокутного подовження. Взагалі, предметом винаходу є стійка до утворення тріщин клапанна дошка, що використовується в шиберній засувці, яка усуває чи щонайменше зменшує всі незручності, пов'язані з відомим рівнем техніки, або щонайменше має такі самі характеристики, як дошка, описана в патенті USP 5,626,164. Таким чином, винахід стосується вогнетривкої дошки для шиберної засувки, яка може бути окреслена подовженим прямокутником R, що має дві сторони, паралельні напрямку його подовження. Прямокутник R має поздовжню вісь, що визначена як його найдовша вісь симетрії, яка збігається з переважною траєкторією ковзання дошки. Однак, необхідно ясно розуміти, що це поняття переважної траєкторії ковзання є внутрішньою характеристикою дошки за винаходом, і що ця дошка може ковзати в шиберній засувці у напрямку, який не є оптимальним чи переважним. Дошка має отвір (зливний отвір) для пропускання розплавленого металу. Найчастіше зазначений отвір є круглим, точніше, він окреслений колом С з діаметром Ф. Отвір розміщується несиметрично щодо центру в середині між паралельними сторонами прямокутника R. З метою побудови прямокутник R розділений на чотири квадранти двома перпендикулярними лініями, які перетинаються в центрі кола С, і одна з цих ліній проходить посередині між паралельними сторонами прямокутника R. Кожний квадрант має діагоналі, що перетинаються: діагоналі D1, D3, D5, D7, які з'єднують центр кола С з кутами прямокутника R, та діагоналі D2, D4, D6 і D8, які з'єднують суміжні перетини перпендикулярних ліній, що перетинаються в центрі кола С, зі сторонами прямокутника R. Зливний отвір зміщений по поздовжній осі для того, щоб дроселювання могло здійснюватися на більшій площі. Зливний отвір також може бути злегка зміщеним по осі, перпендикулярній до поздовжньої осі. Дошка має краї, спрямовані під кутом (зображені як зрізані кути прямокутника R), для зосередження зусиль затиску до зони біля отвору та до зони дроселювання, щоб запобігти утворенню та розширенню тріщин у ній. Згідно з винаходом щонайменше частина країв визначається таким чином: - краї, найдальші від зливного отвору (таким чином, найближчі до зони дроселювання), відхиляються максимум на 5° від напрямку діагоналей, які не перетинають відповідного кута, та - краї, найближчі до зливного отвору (таким чином, найдальші від зони дроселювання), відхиляються максимум на 5° від одного з нижченаведених напрямків: (і) - напрямку, перпендикулярного до діагоналі, що перетинає відповідний кут; (іі) - напрямку іншої діагоналі відповідного квадранта; (ііі) - напрямку, проміжного між напрямками (і) і (іі). Заявники дійсно встановили, що така форма дошки оптимально зосереджує зусилля затиску на двох різних зонах дошки. З одного боку, зона дроселювання підтримується в стисненні, запобігаючи таким чином появітріщин у цій області, а з іншого боку, периметр зливного отвору також підтримується в стисненні, запобігаючи таким чином розширенню тріщин, які розходяться від зливного отвору. Заявники помітили, що нова конструкція дошки має надзвичайні переваги. По-перше, спостерігається набагато менше тріщин. По-друге, навіть якщо вони все ще з'являються, тріщини не розширюються до країв дошки, так що проникнення повітря помітно знижується. І по-третє, коли дошка за винаходом використовується разом з відповідним затискним пристроєм, тріщини, якщо вони є, утворюються тільки в допустимій зоні. Тобто, вони не утворюються в зоні дроселювання й також не утворюються безпосередньо в зоні між зливним отвором та найближчими краями. Дошка може бути симетричною відносно її поздовжньої осі, але в переважному варіанті втілення дошка несиметрична відносно поздовжньої осі. Завдяки цій асиметрії, дошка може встановлюватися тільки в одному положенні у вер хньому заглибленні та в одному положенні в нижньому заглибленні, так що опорна поверхня дошки стає її ковзною або робочою поверхнею, коли дошка переходить з одного положення до іншого у випадку, якщо бажаним є повторне використання дощок. Дошка може мати тільки чотири краї, які визначені вище, але щоб уникнути гострих к утів, вона може мати більше країв. У такому випадку додаткові краї можуть (або не можуть) бути паралельними та/або перпендикулярними до поздовжньої осі. Необхідно розуміти, що, згідно з даним винаходом, дошка необов'язково повинна бути полігональною. Навпаки, якщо навколо дошки використовується затискна стрічка, така затискна стрічка може застосовувати місцеві механічні навантаження (які можуть спричинити тріщини) до вершини, визначеної суміжними краями. Тому вигідно, щоб кут був округленим. У переважному варіанті втілення тільки частини країв відповідають вищезгаданому визначенню. Краще, щоб решта країв складалася з кривих, що з'єднують зазначені частини країв, і найкраще з перехідного радіуса зазначених країв. Фіг.1 і 2 є видом зверху дощок за винаходом. З посиланням на Фіг.1, на якій відповідні номери позначають відповідні деталі на фігура х, винахід стосується клапанної дошки 1, що використовується в шиберній засувці для регулювання потоку розплавленої сталі або іншого металу від проміжного розливного пристрою до ливарної форми або від ковша до проміжного розливного пристрою. Дошка 1 має отвір 3 для розливання потоку розплавленого металу. Зазначений зливний отвір 3 окреслений колом С з центром 4. На Фіг.1 зображена дошка з некруглим зливним отвором, а на Фіг.2 показана дошка зі зливним отвором 3, який співпадає з колом С. Прямокутник R зображений на Фіг.1 і 2. Прямокутник R окреслює дошку 1 і його довші сторони паралельні траєкторії ковзання дошки в шиберній засувці. З метою побудови необхідно накреслити дві перпендикулярні лінії 5 і 6, які перетинаються в центрі 4 кола С і є паралельними коротким та довгим сторонам прямокутника R. Ці лінії таким чином визначають чотири квадранти прямокутника R. Кожний квадрант має діагоналі, що перетинаються: D1, D3, D5 і D7, які з'єднують центр 4 кола С з чотирма кутами (7, 8, 9, 10) прямокутника R, та D2, D4, D6 і D8, які з'єднують суміжні точки перетину (11, 12,13, 14) ліній 5 і 6 зі сторонами прямокутника R. Згідно з винаходом краї дошки, спеціально розроблені для зосередження зусиль затиску в зоні дроселювання, тобто краї 15 і 16, які є найдальшими від зливного отвору 3, і таким чином найближчими до зони дроселювання, мають щонайменше частину (до якої застосовуватимуться зусилля затиску), яка паралельна діагоналі D2 або D4 квадранта, що включає зазначений край. На Фіг.1 і 2 щонайменше частина краю 15 паралельна діагоналі D2 і щонайменше частина краю 16 паралельна діагоналі D4. На Фіг.1 краї 15 і 16 повністю паралельні до діагоналей D2 і D4, у той час як на Фіг.2 тільки частина країв 15 і 16 паралельна діагоналям D2 і D4. Краї дошки, що спеціально розроблені для зосередження зусиль затиску навколо зливного отвору 3, тобто краї 17 і 18, які є найближчими до зливного отвору 3, можуть розміщуватися перпендикулярно діагоналям D5 або D7 квадранта, який включає зазначений край, або, іншими словами, паралельно напрямкам 19 або 20, визначених як перпендикулярні діагоналям D5 або D7. Цей варіант втілення проілюстрований на прикладі обох країв 17 і 18 на Фіг.2, які перпендикулярні діагоналям D5 або D7 відповідно. Альтернативно ці краї 17 і 18 можуть розміщуватися паралельно діагоналям D6 або D8 квадранта, який їх включає, як проілюстровано на прикладі країв 17 і 18 на Фіг.1, які паралельні діагоналям D6 або D8. В іншому варіанті краї 17 і 18 можуть спрямовуватися в напрямку, що знаходиться між двома напрямками, визначеними вище. Краї 15, 16, 17 і 18 можуть стикатися один з одним, визначаючи таким чином чотирикутну до шку 1, визначену з'єднаними діагоналями D2, D4, D6 і D8. Безумовно, щоб уникнути механічних навантажень, бажано уникати таких гостри х кутів. Тому бажано, щоб краї 15, 16,17 і 18 не стикалися безпосередньо. Вони можуть відокремлюватися прямими лініями, бажано паралельними сторонам прямокутника, як зображено на Фіг.1. Ще краще, щоб вони відокремлювалися перехідними кривими. На Фіг.2 краї 15 і 16 та краї 17 і 18 з'єднуються перехідними радіусами 21 і 22. Згідно з винаходом важливим параметром є спрямованість країв 15, 16, 17 і 18, яка визначає те, як вони зосереджують зусилля затиску, щоб уникнути тріщин. Їхнє положення відносно зливного отвору 3, тобто положення країв 15, 16, 17 і 18 відносно відповідних діагоналей D1, D3, D5 і D7, є менш важливим для цих критеріїв. Однак бажано, щоб краї 15, 16, 17 і 18 не були занадто довгими, щоб уникнути механічних навантажень через гострі кути, і не занадто короткими для ефективного зосередження зусиль затиску в ти х місцях, де це необхідно. Тому краї, найближчі до зони дроселювання, тобто краї 15 і 16 (або їхні проекції), повинні переважно перетинати коротку сторону прямокутника R в області, що знаходиться відповідно між 1/8 і 3/8 та між 5/8 і 7/8 довжини короткої сторони прямокутника R. Ця вимога менш важлива для іншої сторони дошки (тобто сторони, де краї є найближчими до зливного отвору), так що краї 17 і 18 (або їхні проекції) повинні переважно перетинати коротку сторону прямокутника R в області, що знаходиться між 1/10 і 9/10 довжини короткої сторони прямокутника R. Щоб визначити, чи дошка розроблена згідно з винаходом, чи ні, необхідно побудувати прямокутник R, який окреслює дошку. Якщо дошка не має правильної форми, що звичайно має місце, існує безмежна кількість прямокутників, які окреслюють зазначену дошку. Однак існує тільки один прямокутник R, що окреслює дошку, краї якого паралельні переважній траєкторії дошки. Переважна траєкторія дошки може бути легко обчислена. Дійсно, згідно з визначеним вище правилом побудови дошки відомо, що на найдальшій стороні від зливного отвору щонайменше частина країв 15, 16 дошки 1 повинна бути паралельна діагоналі D2 або D4 квадранта прямокутника R. Тому, якщо продовжити ці частини країв, доки вони не перетнуться, можна визначити сектор, що має вершину, яка є точкою перетину продовжених країв 15 і 16. Цей сектор аналогічний сектору, визначеному діагоналями D2 і D4 та їхньою вершиною 11. З іншого боку, існує щонайменше одна (але часто безмежна кількість) пара паралельних ліній (Е1, Е2), з яких одна (Е1) включає центр 4 кола С, яке окреслює зливний отвір 3, а інша (Е2) є дотичною до краю дошки, який є найдальшим від зливного отвору 3. Для кожної пари паралельних ліній (Е1, Е2) існує тільки одна лінія (Е3), яка є перпендикулярною до обох паралельних ліній Е1 і Е2, та яка включає центр 4 кола С, що окреслює зливний отвір 3. Нарешті, існує тільки одна з комбінацій цих ліній (Е1, Е2, Е3), в якій Е1 і Е3 збігаються з перпендикулярними лініями 5 і 6, що використовуються для побудови дошки. Отже, якщо вершина вищезгаданого визначеного сектора переноситься (шляхом зміщення) на точку перетину перпендикулярних ліній Е2 і Е3, існує тільки одна можлива спрямованість цих ліній (Е2 і Е3) для того, щоб лінії, які утворюють визначений вище сектор, збігалися з діагоналями D2 і D4, та щоб точка перетину ліній Е2 і Е3 збігалася з вершиною 11. Відповідно до правила побудови точки перетину діагоналей D2 і D4 з лінією Е1 (яка таким чином збігається з лінією 5) повинні бути на межі дошки або за межами дошки, але ніколи не на дошці. Обчисливши цю спрямованість, можна легко накреслити прямокутник R, який має сторони, що паралельні лініям 5 і 6 (або Е1 і Е2).