Вогнетривкий керамічний продувальний елемент для металургійної посудини та продувальний пристрій з продувальним елементом

1. Вогнетривкий керамічний продувальний елемент для металургійної посудини з розплавом, який містить наступні ділянки (3, 2, 4, 1), що послідовно розташовані між його першим кінцем (Е1), з боку якого підведений газ, та його другим кінцем (Е2), з боку якого відведений газ, при цьому з боку його першого кінця (Е1) до продувального елемента підведена щонайменше одна газоподавальна труба (5), яка закінчена в першій газорозподільній камері (32) та від якої відведено декілька капілярних каналів (10), які розташовані в осьовому напрямку та підведені до другої газорозподільної камери (16), та від другої газорозподільної камери (16) відведений щонайменше один газовий канал (6), прохідний переріз якого більший від прохідного перерізу будь-якого з капілярних каналів (10) та який підведений до другого кінця (Е2) продувального елемента. 2. Продувальний елемент за п. 1, який відрізняється тим, що площа поперечного перерізу кожної з першої та другої газорозподільних камер (32, 16) більша від сумарної площі поперечних перерізів капілярних каналів (10). 3. Продувальний елемент за п. 1, який відрізняється тим, що довжина його газоподавальної труби (5), яка закінчується в першій газорозподільній камері (32), більша від осьової відстані між пер 2 (19) 1 3 83213 4 другим кінцем (Е2) у ряд з відступом один від одного на одній уявній лінії. 13. Продувальний елемент за п. 1, який відрізняється тим, що він за всією своєю довжиною має круглий поперечний переріз. 14. Продувальний елемент за п. 13, який відрізняється тим, що його поперечний переріз на першому кінці (Е1) більше, ніж поперечний переріз на його другому кінці (E2). 15. Продувальний пристрій з продувальним елементом за будь-яким з пп. 1-14, що містить привід (М) для приведення вказаного продувального елемента в осьовий поступальний і/або поворотний навколо його власної осі рух. 16. Продувальний пристрій за п. 15, який відрізняється тим, що привід (М) виконаний з можливістю приведення продувального елемента в рух у взаємно протилежних напрямках відносно власної осі. Даний винахід стосується вогнетривкого керамічного продувального елемента для металургійної посудини для розплаву, а також відповідного продувального пристрою з таким продувальним елементом. Продувальні елементи подібного типу відомі і широко використовуються в металургії вже протягом багатьох років. Вони, як випливає з їх назви, призначені для продувки розплавленого металу газом, наприклад, аргоном або азотом. Продувка розплавленого металу газом необхідна для різних цілей. Так, зокрема, продувка газом дозволяє гомогенізувати розплавлений метал. Крім цього продувка розплавленого металу дозволяє прискорити процеси окислення. Ще одна мета обробки розплавленого металу газом може полягати також у видаленні неметалічних включень з розплавленого металу або десульфурації, відповідно дефосфорації, наприклад, рідкої сталі. До металургійних посудин для розплаву, у яких використовуються подібні продувальні елементи, відносяться, наприклад, ковші або ковшіпечі. Продувальні елементи зазначеного на початку опису типу використовуються, крім того, і для вакуумної обробки сталі. При продувці газ проходить по продувальному елементу від першого його кінця, з боку якого газ підводиться до продувального елемента, до другого його кінця, з боку якого газ виходить у розплав з продувального елемента. Для проходу газу в продувальному елементі звичайно передбачені відповідні канали. Такі канали можуть бути утворені, наприклад, отворами в самому керамічному матеріалі, що залишаються в ньому після випалювання елементів, які виконані з відповідних матеріалів та які закладаються в нього при виготовленні продувального елемента. Ці канали можуть бути утворені також трубами (трубками), що проходять у керамічному матеріалі. Подібні канали можуть мати в поперечному перерізі різну форму. Так, наприклад, вони можуть мати круглий або щілиноподібний прохідний переріз. Крім цього подібні канали можуть проходити від одного кінця продувального елемента до іншого його кінця прямо, тобто безпосередньо в його осьовому напрямку, або за типом лабіринту. Крім цього відомо розміщення на першому кінці продувального елемента або в самому продувальному елементі так називаного захисту від прориву розплаву. Призначення подібного захисту від прориву розплаву полягає в запобіганні проникнення розплавленого металу в продувальний елемент. Відомі продувальні елементи можуть мати, наприклад, круглий за всією їх довжиною поперечний переріз. Крім цього відомі також продувальні елементи у формі зрізаного конуса, які використовуються як змінні елементи для продувки розплавленого металу. Продувальні елементи можна вставляти в вогнетривкий блок, що охоплює їх. Такий вогнетривкий блок є компонентом плавильного агрегату, наприклад, дугової електропечі або мартенівської печі. Такі продувальні елементи вбудовують головним чином у днище або в стінку металургійної посудини для розплаву. Продувальні елементи, що вбудовуються в днище, можна встановлювати в положення, у якому газ входить у розплав більш-менш перпендикулярно до поверхні днища. Однак відоме також похиле розташування продувальних елементів з метою цілеспрямованої подачі газу у визначену точку в об'ємі розплаву. Сказане так само стосується і продувальних елементів, що вбудовуються в стінку. У цьому випадку вбудований продувальний елемент може розташовуватися більш-менш горизонтально, тобто перпендикулярно до внутрішньої поверхні стінки металургійної посудини, або похило до горизонталі (поверхні розплаву). Продувальний газ можна подавати в розплав у безперервному або періодичному режимі. Однак у будь-якому випадку працездатність продувального пристрою повинна бути гарантована завжди, коли виникає необхідність у його використанні. Для дотримання цієї умови потрібно приймати відповідні превентивні заходи, щоб уникнути, наприклад, закупорювання газопровідних каналів розплавленим металом або шлаком. Поряд з цим необхідно насамперед забезпечити вже згадуваний вище захист від прориву розплавленого металу в продувальний елемент. Виходячи з вищевикладеного, в основу даного винаходу була покладена задача запропонувати 5 продувальний елемент та відповідний оснащений ним продувальний пристрій, які мали б високу експлуатаційну надійність і безпеку, забезпечували б можливість надійної і регулярної подачі газу у розплавлений метал і були б здатні без обмежень виконувати необхідні металургійні функції. Для вирішення цієї задачі у винаході пропонується вогнетривкий керамічний продувальний елемент для металургійної посудини для розплаву, який складається з наступних ділянок, послідовно розташованих між першим його кінцем, з боку якого підводиться газ, і другим його кінцем, з боку якого виходить газ: - з боку першого кінця до продувального елемента підведена щонайменше одна газоподавальна труба, - газоподавальна труба закінчується в першій газорозподільній камері, - від першої газорозподільної камери відходить декілька капілярних каналів, які ведуть у другу газорозподільну камеру, і - від другої газорозподільної камери відходить щонайменше один газовий канал, прохідний переріз якого більший прохідного перерізу кожного з капілярних каналів і який проходить до другого кінця продувального елемента. Подібний продувальний елемент має розглянуті нижче властивості та переваги. Продувальний елемент незважаючи на його поділ на різні ділянки, що примикають одна до іншої в осьовому напрямку, забезпечує безперервне проходження газу від свого першого (так званого холодного) кінця до свого другого (так званого гарячого) кінця. Відповідно до цього газ можна подавати в продувальний елемент по газоподавальній трубі. З газоподавальної труби газ надходить в першу газорозподільну камеру, з якої він потім рухається по декільком капілярним каналам у напрямку другого кінця продувального елемента і надходить з них у другу газорозподільну камеру. З газорозподільної камери газ по згаданим вище каналам більших розмірів рухається до другого кінця продувального елемента і виходить з нього назовні. Безпечна робота такого продувального елемента забезпечується завдяки реалізації в ньому декількох захисних заходів. При проникненні розплавленого металу в газові канали, що йдуть від другого кінця продувального елемента в напрямку його першого кінця, друга газорозподільна камера використовується свого роду "бар'єром", що запобігає подальшому проникненню розплавленого металу в продувальний елемент. У цій другій газорозподільній камері завдяки більшому її поперечному перерізу, ніж сумарна площа поперечних перерізів газових каналів, розплавлений метал, який проник у продувальний елемент, може розтікатися, охолоджуватися і застигати. Подальше проникнення розплавленого металу в продувальний елемент у напрямку його холодного (першого) кінця запобігається також завдяки тому, що на іншому кінці другої газорозподільної камери до неї примикають капілярні канали. Такі капілярні канали виконані із значно меншим прохідним перерізом, ніж газові канали, які розташовані на ділянці 83213 6 між другою газорозподільною камерою і другим кінцем продувального елемента, і тому вже один цей фактор додатково утруднює проникнення розплавленого металу в ці капілярні канали. Так, наприклад, внутрішній діаметр газових каналів, що розташовані на ділянці між другою газорозподільною камерою і другим кінцем продувального елемента, перевищує 2 мм або 3 мм, тоді як внутрішній діаметр капілярних каналів не перевищує 1,0 мм. Однак навіть на випадок можливого проникнення розплавленого металу в капілярні канали і проходження через них у пропонованого у винаході продувального елемента передбачений ще один захисний пристрій, що утворений першою газорозподільною камерою, яка створює аналогічний вже розглянутому вище ефект, що створюється другою газорозподільною камерою. Крім цього винаходом в одному з варіантів його здійснення передбачена також четвертий захисний захід. Цей захисний захід забезпечується за рахунок виконання газоподавальної труби, яка закінчується в першій газорозподільній камері, такої довжини, яка є більшою за осьову відстань між першим кінцем продувального елемента і його першою газорозподільною камерою. Іншими словами, газоподавальна труба повинна мати не прямолінійну, а вигнуту форму щонайменше з одним, а краще з декількома вигинами (колінами) для подовження шляху руху газу. При цьому газоподавальна труба може мати, наприклад, спіральну, гвинтову і/або меандроподібну форму. Завдяки декільком "відгалуженням" газоподавальної труби, з одного боку, подовжується шлях руху газу, що принципово негативно не впливає на ефективність продувального елемента, а з іншого боку, подовжується і шлях руху розплавленого металу, що можливо проникає в продувальний елемент, який у результаті буде неминуче охолоджуватися і застигати. Газоподавальну трубу можна при цьому виконати з матеріалу, температура плавлення якого нижче температури металу, який обробляється. У цьому випадку при проникненні розплавленого металу в цю частину продувального елемента, виконана з такого матеріалу газоподавальна труба розплавиться. При розташуванні газоподавальної труби відповідно до ще одного варіанта здійснення винаходу в сипкому матеріалі, розплавлений метал може проникати в нього на цій ділянці продувального елемента, тобто може розтікатися, і завдяки цьому буде швидше застигати. Очевидно, що сипкий матеріал, щоб уникнути неконтрольованого проникнення через нього розплаву в радіальному напрямку повинен бути укладений у відповідний зовнішній кожух (наприклад, з металу або щільної кераміки). Такий кожух у свою чергу повинен бути оточений вогнетривким матеріалом. Згадування про розташування окремих ділянок продувального елемента вздовж його подовжньої осі не означає, що вони фізично повинні бути відділені одна від одної. Подібний поділ продувального елемента на окремі, послідовно розташовані вздовж його подовжньої осі ділянки скоріше слід розглядати з функціональної точки зору. Так, 7 зокрема, окремі ділянки продувального елемента можуть мати однакову форму в поперечному перерізі, наприклад, можуть мати круглий поперечний переріз, відповідно до чого продувальний елемент у цілому буде мати зовні циліндричну форму. Окремі ділянки продувального елемента можуть примикати одна до одної. Однак в іншому варіанті всі ділянки продувального елемента можуть бути утворені в загальній матриці з вогнетривкого матеріалу. При цьому продувальний елемент може мати постійний за усією своєю довжиною поперечний переріз, наприклад, круглий поперечний переріз. Так само продувальний елемент можна виконувати зі змінним поперечним перерізом, наприклад таким, який зменшується від його першого кінця до другого кінця, надаючи йому тим самим форму свого роду зрізаного конуса. При такій його формі продувальний елемент може використовуватися насамперед як змінний продувальний елемент. Виконання продувального елемента з постійним, насамперед круглим, за всією його довжиною поперечним перерізом забезпечує можливість його приведення в осьовий поступальний і/або поворотний навколо його власної осі рух у відповідному, оснащеному ним продувальному пристрої. З цією метою продувальний пристрій оснащений відповідним приводом. Такий привід може бути розрахований на приведення продувального елемента в осьовий зворотно-поступальний рух і/або зворотно-поворотний навколо його власної осі рух. Так, наприклад, продувальний елемент можна приводити в зворотно-поступальний рух в осьовому напрямку з амплітудою в декілька міліметрів у кожному напрямку (наприклад, переміщати на відстань 3 мм у кожному напрямку) або в зворотноповоротний навколо його власної осі рух з кутовою амплітудою в декілька градусів в одному, відповідно в іншому напрямку. Подібний привід можна також використовувати для просування продувального елемента в осьовому напрямку, тобто в напрямку до розплаву, наприклад, при частковому зносі продувального елемента в зоні його першого кінця. Як вже зазначалося вище, кожна з першої і другої газорозподільних камер повинна мати площу поперечного перерізу, що перевищує сумарну площу поперечних перерізів капілярних каналів, які примикають до них, для того, щоб утворювати необхідний простір для можливо проникаючого в продувальний елемент розплаву і забезпечувати надійну подачу газу в капілярні канали, відповідно вихід з них газу. В одному з варіантів площа прохідного (тобто аеродинамічно ефективного) перерізу кожного з капілярних каналів є щонайменше на 50% меншою, ніж площа прохідного перерізу газоподавальної труби на першому кінці, або площі прохідного перерізу газового каналу на другому кінці продувального елемента. При цьому площа прохідного перерізу кожного капілярного каналу може бути меншою, ніж площа поперечного перерізу газоподавальної труби, або газових каналів не тільки на зазначені 50%, але і на значно більшу 83213 8 величину, наприклад, може бути меншою на 70, 80 або 90%. Відповідно до ще одного варіанту газові канали на другому кінці продувального елемента виконані щілиноподібними, тобто мають, наприклад, прямокутний переріз. Так само газові канали можуть мати і трикутний або краплеподібний прохідний переріз. При цьому при виконанні газових каналів (трубок) з краплеподібною формою поперечного перерізу найбільш доцільно, щоб його більш вузький кінець був направлений радіально усередину продувального елемента до "його середньої подовжньої осі, про що також йдеться нижче в наступному описі креслень. Газорозподільні камери можна виконувати in situ у керамічному матеріалі матриці продувального елемента. Разом з тим газорозподільні камери можуть бути утворені і порожнинами металевих камер, у яких закінчуються відповідні газові, відповідно капілярні канали. Якщо капілярні канали проходять у продувального елемента в основному в його осьовому напрямку, тобто паралельно один до одного і з відступом один від одного, то газові канали можуть проходити в зоні другого кінця продувального елемента різним чином. Так, наприклад, в одному з варіантів газові канали при їх виконанні зі згаданою вище краплеподібною у поперечному перерізі формою пропонується "симетрично" розподіляти за поперечним перерізом продувального елемента. При наявності, наприклад, трьох каналів їх можна розташовувати по окружності в положеннях, які, якщо порівнювати їх з положенням цифр на циферблаті годин, відповідають 6, 10 та 14 годинам. В іншому варіанті, який стосується насамперед виконання газових каналів з круглою або щілиноподібною у поперечному перерізі формою, вони можуть розташовуватися, якщо дивитися в поперечному перерізі продувального елемента, у ряд з відступом один від одного на одній уявлюваній лінії, яка у випадку, наприклад, продувального елемента, що вбудований в стінку металургійної посудини, проходить горизонтально. Канали і камери продувального елемента завжди оточені вогнетривким керамічним матеріалом (матеріалом матриці). Цей матеріал можна відливати або пресувати. Оснащати продувальний елемент зовнішнім кожухом не потрібно. Відповідно до цього керамічний продувальний елемент можна безпосередньо в такому вигляді, без кожуха, вбудовувати в металургійну посудину. Інші кращі варіанти здійснення винаходу і його відмінні риси представлені в залежних пунктах формули винаходу, а також у наступному описі. Нижче винахід більш докладно розглянуто з посиланням на прикладені схематичні креслення, які використовуються винятково для наочного пояснення принципів, що лежать в основі винаходу, та на яких показано: на фіг. 1 - вигляд збоку пропонованого у винаході продувального елемента, на фіг. 2 - вигляд у перерізі площиною А-А за фіг. 1, 9 на фіг. 3 - інший варіант виконання продувального елемента, альтернативний показаному на фіг. 2, на фіг. 4 - вигляд у перерізі площиною В-В за фіг. 1, на фіг. 5 - поздовжній розріз продувального елемента площиною С-С у зоні першого його кінця і наступної першої газорозподільної камери, на фіг. 6 - поздовжній розріз другої газорозподільної камери площиною D-D, на фіг. 7 - вигляд збоку продувального пристрою з продувальним елементом, що встановлений у підшипниках, та на фіг. 8 - продувальний пристрій з продувальним елементом та приводом для його приведення в осьовий рух. На всіх кресленнях однакові або функціонально еквівалентні елементи позначені однаковими позиціями. На фіг. 1 показаний пропонований у винаході елемент для продувки газом (нижче він зазначений просто продувальним елементом). Цей продувальний елемент складається з розглянутих нижче ділянок (справа наліво). На першому кінці Е1 продувального "елемента в першу його ділянку 3, що з торця обмежена сталевою плитою 30 (див. Фіг.5), а по окружності або периферії - сталевою трубою 14, входить газоподавальна труба 5. За сталевою плитою 30 газоподавальна труба 5 має форму спіралі або змійовика, що позначений позицією 13. Простір, у якому розташований змійовик 13, заповнено сипким матеріалом 15, наприклад, на основі спученого перліту, і з іншого, протилежного від сталевої плити 30 боку обмежено ще одною сталевою плитою 31, крізь яку пропущений змійовик 13. За сталевою плитою 31 розташована перша газорозподільна камера 32, що по окружності обмежена продовженням сталевої труби 14. Далі за ходом потоку газу розташована ділянка 2, поперечний переріз якої показано на фіг. 4. Усередині сталевого циліндра 12 (утвореного продовженням труби 14) знаходиться вогнетривкий керамічний матеріал, у якому в осьовому напрямку продувального елемента проходить велика кількість капілярних каналів 10. Ці капілярні канали (утворені сталевими трубками) мають круглий поперечний переріз та внутрішній діаметр, що дорівнює 0,5 мм. Газ, що пропускається по газоподавальній трубі 5 та змійовику 13, надходить по капілярним каналам 10 з першої газорозподільної камери 32 у наступну - другу - газорозподільну камеру 16 (фіг. 6), яка зсередини обмежена трубчастою вставкою 33, яка охоплюється зовнішнім кожухом 17. Трубчаста вставка 33 і кожух 17 можуть бути виконані з металу або вогнетривкої кераміки. З другої газорозподільної камери 16 газ надходить потім у газові канали 6, що проходять в осьовому напрямку і з відступом один від одного в матриці 8 з керамічного матеріалу (фіг. 2, 3) аж до торця продувального елемента на другому його кінці Е2. Відповідно до фіг. 2 три газових канали 6 круглого поперечного перерізу розташовані в ряд на 83213 10 одній уявлюваній горизонтальній лінії. Кожний з газових каналів 6 має внутрішній діаметр, що дорівнює 2 мм. На фіг. 3 показаний інший варіант, у якому всі три газових канали 6 мають краплеподібну в поперечному перерізі форму і знаходяться по окружності в положеннях, які, якщо порівнювати їх з положенням цифр на циферблаті годинника, відповідають 6, 10 та 14 годинам. Газові канали 6 направлені більш вузьким, приблизно трикутним кінцем їх краплеподібного поперечного перерізу радіально усередину. Ця ділянка 1 продувального елемента також обмежена по окружності металевою трубою 9. Оболонки (трубчасті секції), що зовні обмежують окремі ділянки продувального елемента і кожна з яких утворена керамічними або металевими деталями, механічно з'єднані між собою, а кінцеві ділянки продувального елемента при цьому виконані східчастими і оснащені відповідною різзю. Показаний на фіг. 1 продувальний елемент повністю поміщений в оболонку з вогнетривкого матеріалу. Разом з тим можна також розташовувати весь продувальний елемент усередині суцільної трубчастої оболонки або ж цілком відмовитися від її застосування. У цьому випадку газорозподільні камери 16, 32 і різні канали виконують у матриці з керамічного матеріалу. Газоподавальна труба 5, капілярні канали 10 і газові канали 6 утворені металевими трубами і трубками, але можуть бути також виконані in situ, наприклад, утворені отворами, які залишаються після випалювання елементів, що мають відповідні форму та розміри поперечного перерізу, з випалюваних матеріалів, що закладаються при виготовленні продувального елемента замість таких трубок. Сказане аналогічно відноситься і до виконання порожнин (газорозподільних камер) у керамічному корпусі. Газ проходить через продувальний елемент від першого його кінця Е1 через ділянки, що примикають одна до одної до його розташованого з боку виходу газу кінця, який позначений на фіг. 1 позицією Е2. Принцип роботи продувального елемента вже був розглянутий вище в попередній частині опису. Слід також зазначити, що змійовик 13 у даному випадку виконаний з міді, тобто з металу з відносно низькою температурою плавлення. Як показано на фіг. 7, продувальний елемент змонтований у декількох підшипниках 18, 19, що допускають його напрямлене переміщення в осьовому напрямку. При цьому мова йде про підшипники кочення. Трубчастий продувальний елемент можна приводити в обертання двигуном Μ через редуктор 20 і таким чином поперемінно повертати його навколо власної осі проти і за годинниковою стрілкою. Привід розташований зовні на посудині для розплаву. Відповідно до показаного на фіг. 8 варіанту передбачений приводний механізм 22, що дозволяє надавати продувальному елементу безперервний коливальний рух (наприклад рух, що змінюється за синусоїдальним законом) і таким чином приводити його, наприклад, у зворотно 11 83213 поступальний рух в осьовому напрямку з амплітудою в декілька міліметрів у кожному напрямку. Очевидно, що продувальний елемент повинен розташовуватися у відповідному, такому, що забезпечує можливість його повороту навколо власної осі, відповідно його осьовий поступальний рух Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 12 згідно з показаними на фіг. 7 та 8 варіантами вогнетривкому корпусі в днищі або в стінці відповідної металургійної посудини. Вогнетривкий матеріал стінки, відповідно днища металургійної посудини, умовно показаний на фіг. 7 та 8, позначений позицією 35. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601