Керамічний вогнестійкий стопор

Реферат: Винахід стосується керамічного вогнетривкого стопора (стопорного пристрою) для регулювання затрат розплавленого металу через випускний отвір металургійного резервуара, наприклад, проміжного розливного пристрою. UA 109216 C2 (12) UA 109216 C2 UA 109216 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід відноситься до керамічного вогнетривкого стопору (стопорного пристрою) для регулювання затрат розплавленого металу через випускний отвір металургійного резервуара, наприклад, проміжного розливного пристрою. Родовий тип керамічних вогнетривких стопорів містить у собі виконаний у формі стрижня корпус стопора, один кінець якого розрахований для кріплення на відповідному піднімальному механізмі, у той час як інший його кінець заданий так званою стопорною пробкою. Виконаний у формі стрижня корпус стопора, як правило, має центральну поздовжню вісь. У сталеливарній промисловості добре відома практика виставляння такого стрижня стопора, який у більшості випадків являє собою цільний стрижень стопора, у вертикальному положенні, щоб за допомогою спрацьовування механізму на підйом варіювати площу поперечного перерізу взаємодіючого випускного отвору відповідного металургійного резервуару. У цьому контексті всі вирази, що згадуються в описі у прив'язці до будь-яких напрямків, наприклад, "верх", "низ", "верхній і нижній кінці" завжди ставляться до вертикального робочого положення, показаного на фігурах прикладеного креслення. Стрижні стопорів цього типу також використовують для впуску газу для технологічної обробки, наприклад, інертного газу, насамперед, аргону у гарячий розплав (насамперед, розплав сталі) для покращення якості розплаву, наприклад, для видалення неметалічних включень із розплаву. У цьому зв'язку робиться посилання на (документ) WO 2006/007672. Відомий стрижень стопора містить у собі: - виконаний у формі стрижня корпус стопора, що задає центральну поздовжню вісь, який містить у собі: - щонайменше один з'єднувальний елемент для з'єднання стрижня стопора із підводящим газопроводом, і - щонайменше один газовий канал, що проходить усередині корпуса стопора від верхнього кінця корпуса стопора в напрямку до протилежного кінця корпуса стопора та який виходить до вільної ділянки зовнішньої поверхні стопорної пробки. Згідно WO 2006/007672 зазначено, що газ може забруднюватись під час проходження через газовий канал у стрижні стопора. Для усунення цього недоліку у WO 2006/007672 наведений опис стрижня стопора, у якому на стінку газового каналу нанесений шар матеріалу, який при робочій температурі не породжує монооксид вуглецю. Було встановлено, що за допомогою згаданої внутрішньої футеровки неможливо гарантовано виключити забруднення газу для технологічної обробки. Причини вказаного, усе ще не зовсім зрозумілі, наступні: - газ (наприклад, аргон або азот) як і раніше може забруднюватись невеликими часточками матеріалу футеровки, наприклад, у результаті її стирання та/або хімічної реакції між газом (наприклад, у випадку азоту) і матеріалом футеровки, - при відсутності зазначеної футеровки ті ж самі проблеми виникають через вогнетривкий матеріал стрижня стопору, - перепади температур усередині стрижня стопора та/або газового каналу, відповідно, можуть викликати - ефекти конденсації газу для технологічної обробки, що довільно змінюють якість газу, та - відкладання на стінці газового каналу. Це відповідає дійсності, насамперед, у тих випадках, коли одні частини стрижня стопору занурені у гарячий розплав, а інші частини стрижня стопору виступають над розплавом у набагато більш холодне оточення. Крім того, відома технологія не враховує небезпечні складові газу для технологічної обробки, наприклад SiO, інші летучі недоокиси, лужні сполуки та т.і., які можуть сприяти блокуванню газового каналу (-ів) у стопорній пробці. Мета винаходу полягає в забезпеченні стрижня стопора згаданого типу, у якому усунуті вказані недоліки. В основу винаходу покладені наступні міркування: Згадані ефекти зовсім різні. Якщо проблема стирання (1-а проблема) являє собою проблему, пов'язану з матеріалом, із якого виготовлений стопорний стрижень, то 2-а проблема (температурний градієнт) викликається умовами застосування стрижня стопора. У цьому контексті ті або інші модифікації матеріалу можуть допомогти вирішити першу, але не другу проблему, і навпаки, будь-який зовнішній нагрів поверхні стопора може зменшити температурний градієнт, але не розв'язати проблему стирання. Винахід пропонує зовсім інший підхід. Він визнає наявність 2-х згаданих проблем, однак вирішує їх за рахунок заповнення газового каналу твердотілим матеріалом (далі по тексту 1 UA 109216 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вказаним також як матеріал-наповнювач), залишаючи достатній простір для проходження газу, причому матеріал забезпечує наступні ефекти: а) матеріал витримує високі температури (>1000 °C, >1300 °C, часто >1500 °C або >1600 °C) і тому залишається в газовому каналі, наприклад, при використанні стрижня стопора у ванні розплавленої сталі з аналогічною температурою, б) матеріал явно збільшує площу поверхні, уздовж якої проходить газ при русі через газовий канал, і одночасно надає поверхні профіль лабіринту (меандру), в) усі абразивні часточки, відокремлювані від матеріалу корпуса стопору або власно матеріалу-наповнювача, можуть збиратись у відповідній зоні наповнювача газового каналу. Критерій а) важливий у тому плані, що забезпечує матеріалу-наповнювачу виконання своєї функції під час застосування стрижня стопору. Критерій б) важливий у тому плані, що нові поверхні примусово викликають поперечні потоки газу (аж до утворення невеликих завихрень). Крім того, матеріал-наповнювач набирає температуру, сумірну із температурою корпуса стопора під час застосування стрижня стопора, створюючи тим самим додаткові нагрівальні поверхні для газу, збільшуючи температуру газу та вирівнюючи температуру газу у відповідних сегментах газового каналу та далі вниз у сторону вихідної секції газового каналу. Теплообмін здійснюється, головним чином, за допомогою теплової радіації. Будь-яка різниця температур між матеріалом корпуса стопору та газом сприятливо зменшується. Це дійсно так, незважаючи на те, що швидкість газу збільшується через зменшення поперечного перерізу, доступного для проходження газу (виходячи із припущення, що необхідний певний обсяг газу для технологічної обробки розплаву). Цей критерій (б) пов'язаний з необхідністю забезпечення проходження конкретного обсягу газу на певну відстань/уздовж частини газового каналу, заповненого конкретним матеріалом, і за змістом має на увазі відповідний вибір підходящих матеріалів-наповнювачів і підходящих конфігурацій. Порошковий матеріал може викликати блокування газового каналу та перешкодити проходженню необхідного обсягу газу. Гранульований матеріал або матеріал з великим ступенем відкритої пористості неминуче приводить до утворення зазорів та/або порожнин, та/або щілин, та/або просторових зон по типу пор між сусідніми часточками та/або усередині матеріалу, через який газ може проходити, тобто подібні матеріали характеризуються значною "відкритою пористістю" або "проникністю для газу", які можна варіювати в необхідному діапазоні з урахуванням проходження необхідного обсягу газу. Критерій покращується, якщо матеріал-наповнювач має велику теплопровідність. У цьому випадку матеріал-наповнювач сприймає та переносить тепло навіть ще більш ефективно. Матеріал-наповнювач набирає свою високу температуру за рахунок безпосереднього переносу тепла зі сторони відповідного розплаву, у який занурюють стопор, через корпус стопору, а також за рахунок теплової радіації зі сторони корпусу стопора. Матеріал-наповнювач повинен простягатись на значну відстань (по довжині) газового каналу, щоб задати необхідні нові великі площі поверхні та забезпечити потрібний ефект. У результаті температура газу в стрижні стопора згідно з винаходом виявляється не тільки більш високою, але й набагато більш рівномірною в порівнянні з відомими пристроями. Інша перевага полягає в зменшенні або навіть виключенні ефектів конденсації газу. Що стосується критерію в), то цей "ущільнений абсорбційний шар" (наповнювача) діє як збірна камера для всіх продуктів стирання вогнетривкого матеріалу або, відповідно, будь-якої футеровки або облицювання, та виключає захват відповідного пилу та/або часточок потоком газу уздовж газового каналу у сторону газовипускного отвору із небезпекою блокування газового каналу в результаті ефектів закупорки. Насамперед, це важливо у випадку зі стрижнями стопорів, що мають газовипускний отвір меншого, у порівнянні з їхніми вхідними секціями, діаметру, як, наприклад, у випадку зі стопорною пробкою. Інакше кажучи, навіть якщо стирання не можна виключити повністю, винахід може компенсувати стирання за рахунок введення матеріалу-наповнювача, який "абсорбує" (збирає) будь-які такі часточки твердих матеріалів. Такі часточки в силу фізичних властивостей можуть прилипати до матеріалу-наповнювача або вступати з ним у реакцію. У своєму найбільш загальному конструктивному виконанні винахід відноситься до керамічного вогнетривкого стопору, що включає: - виконаний у формі стрижня корпус стопора, що задає центральну поздовжню вісь стопора, - щонайменше один з'єднувальний елемент для під'єднання підводящого газопроводу, - щонайменше один газовий канал загальної довжини L усередині корпуса стопору, що простягається між вхідною секцією на першому кінці корпуса стопора та вихідною секцією на 2 UA 109216 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вільній ділянці зовнішньої поверхні на другому кінці корпуса стопора, причому другий кінець задає стопорну пробку, причому - усередину газового каналу із дотриманням наступних умов поміщають матеріал, що витримує високі температури: - жароміцний матеріал має проходити уздовж газового каналу на відстань R ≥ 25 % від загальної довжини L газового каналу, та - твердотілі компоненти матеріалу, що витримує високі температури, повинні на 10-90 % за обсягом заповнювати газовий канал уздовж відповідної відстані R. Довжина цієї частини газового каналу, заповненої матеріалом, є визначальною для досягнення викладених переваг і тому може перевищувати 30 % (або становити > 40 %, > 50 %, > 60 %, > 70 %) від загальної довжини газового каналу. В принципі, наповнювач більшої довжини дасть кращі результати, але при цьому необхідно ретельно вибирати тип і кількість матеріалу-наповнювача для забезпечення можливості проходження необхідного потоку газу через стопор без несприятливих втрат тиску. Матеріал-наповнювач може розташовуватись паралельно центральній поздовжній осі стрижня стопору. Згідно з конструктивним виконанням, для одержання покращених результатів, щонайменше 20 % обсягу газового каналу (розрахункова цифра, без врахування матеріалу-наповнювача в ньому) заповнюють твердотілими компонентами матеріалу, що витримує високі температури, включаючи процентні вирази > 25 %, > 30 %, > 40 %, > 50 %. Необхідно уточнити, що будь-яка відкрита пористість усередині твердотілих компонентів матеріалу-наповнювача, через який проходить газ, порушує "суцільний обсяг" матеріалу-наповнювача. Якщо газовий канал має секції з меншим поперечним перерізом (насамперед, секції з поперечним перерізом меншим, чим, наприклад, розмір часточок гранульованого матеріалунаповнювача, внаслідок чого часточки матеріалу-наповнювача не вписуються в нього, таке може мати місце, насамперед, у стопорній пробці), то щоб уникнути будь-якого небажаного блокування рішення з матеріалом-наповнювачем слід реалізувати тільки в секції газового каналу, що має більший поперечний переріз. Звичайно газовий канал має циліндричну форму, хоча можливі й інші вирішення. Для досягнення металургійних ефектів у ванні рідкого металу необхідний певний обсяг (кількість) газу. На звичайних діючих металургійних установках, зазначена секція газового каналу, заповнена гранульованим матеріалом, може мати поперечний переріз площею > 500 2 мм . При виборі відповідного матеріалу-наповнювача необхідно враховувати наступні властивості (у дужках зазначені альтернативні значення): - теплоємність, визначена відповідно до EN 993-14, EN 993-15, більше 0,4 Дж/г*K [0,8-5,0 Дж/г*K], - теплопровідність, визначена відповідно до EN 993-14, EN 993-15, більше 0,04 Вт/(м*K) [від > 0,5 або > 1,0 до < 5 або 1500 °C), -13 2 - газопроникність, визначена відповідно до EN 993-4, менше 1 × 10 м , - опір стиранню: віднесення матеріалу-наповнювача в результаті стирання протягом максимального періоду його застосування не повинен перевищувати 10 % (за масою) [переважно < 5 % (за масою) або < 1 % (за масою)]. Чим більше вказаних властивостей проявляє матеріал, тим більше він підходить для застосування в якості матеріалу-наповнювача в стрижні стопору згідно з винаходом. Матеріал-наповнювач можна вибрати з наступної групи: деревне вугілля, оксидні вогнетривкі матеріали, безоксидні вогнетривкі матеріали, графітова повсть або їх суміші. Гранульований матеріал-наповнювач може бути передбачений у вигляді продукту з будьякою дво- або тривимірною конфігурацією зерен, включаючи гранули, окатиші, волокна, пірамідальні, конічні та/або сферичні часточки. Він може бути підготовлений із часточок з індексом зернистості від 1 до 10 мм, наприклад, індекс зернистості d90 від 2 мм до 8 мм або від 2 мм до 5 мм означає, що 90 % часточок вписуються в цей діапазон. У випадку застосування волокон, підходящими вважаються їх довжина до 30 мм і середній діаметр 10 %, > 20 %, > 40 % менше), ніж газопроникність матеріалу-наповнювача. Цей газопроникний фільтр може бути виготовлений з жароміцних волокон, наприклад, із алундової вати. Інші відмітні ознаки винаходу випливають із підпунктів формули винаходу та іншої документації заявки. Стопор можна реалізувати із застосуванням довільних комбінацій із описаних відмітних ознак конструктивного виконання, за умови, що такі комбінації не виявляються явно взаємовиключними. Необхідно відзначити, що вирази типу "у формі стрижня" і т.і., "циліндричний", "концентричний", "паралельний" і т.д. завжди відносяться до готового технічного виробу та у цьому змісті вказують на відповідні технічні особливості, а не використовуються строго в математичному значенні. Далі наведено опис винаходу з посиланням на прикладене схематичне креслення, де показані: Фіг. 1 вид у розрізі першого конструктивного виконання нового стопору, Фіг. 2 вид у розрізі другого конструктивного виконання нового стопору. На фіг. 1 показаний вид у поздовжньому розрізі стрижня 10 стопору згідно з винаходом у його робочому положенні. Згідно з рівнем техніки, стопор виконаний у вигляді корпусу 12 вогнетривкого керамічного стопору, виконаного у формі стрижня, що має по суті циліндричну основну секцію 12m (верхня секція на фіг. 1) і секцію 12h головки на нижньому кінці, яку звичайно називають стопорною пробкою. Корпус 12 стопору у формі стрижня задає центральну поздовжню вісь A стопору (фіг. 2) і містить у собі циліндричний газовий канал 14, що проходить усередині корпуса 12 стопору, концентрично по відношенню до осі A, від верхнього кінця 12u корпуса 12 стопору у сторону головки 12h стопору (задаючи, таким чином, верхню секцію 14u циліндричного газового каналу 14 із внутрішнім діаметром D), що заходить у головку 12h стопору та, врешті решт, що виходить на вільну ділянку 12o зовнішньої поверхні головки 12h стопору (задаючи, таким чином, нижню секцію 14l циліндричного газового каналу 14 із внутрішнім діаметром d). На верхньому кінці 12u розташований металевий з'єднувальний елемент 16 навколо газового каналу 14 усередині вогнетривкого керамічного матеріалу. З'єднувальний елемент 16 має внутрішнє різьблення для з'єднання з підводящим газопроводом 30 із геометричним замиканням за формою. При тому, що загальна задана довжина газового каналу 14 від вільної верхньої поверхні 12t до випускного отвору 14o на нижньому кінці стопору 10 становить L, відрізок газового каналу приблизно в 0,4 L (представлений на фіг. 1 відстанню R) заповнений гранульованим деревним вугіллям, схематично представленим кубоїдами 20. Відстань R, у цьому випадку, висота матеріалу-наповнювача 20 між його верхнім і нижнім кінцями в газовому каналі 14, задана волоконними фільтрами 22o, 22u у формі пластин, причому поперечний переріз фільтрувальних пластин 22o, 22u трохи більший діаметру D для утримання фільтрів 22o, 22u (з деревним вугіллям між ними) на місці (за рахунок фрикційного зв'язку). Це компонування можна порівняти з патроном, і дійсно, за одним із варіантів розміщення гранульованого матеріалу усередині газового каналу 14, передбачається підготовка матеріалунаповнювача у вигляді патрону, причому патрон виконують у формі циліндричної гільзи, наприклад, із паперу та обмежуютьфільтрувальними пластинами на його кінцях. У ході технологічного процесу патрон може згоряти, тим часом як фільтрувальні пластини 22o, 22u виконують із керамічних волокон, що витримують у ході технологічного процесу температури усередині стрижня стопору, на які розраховано деревне вугілля. 4 UA 109216 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Приклад згідно фіг. 1 характеризується наступними розмірами після остаточної підготовки до технологічного процесу (можливі альтернативні значення із зазначенням типових верхніх і нижніх меж, дійсних і для інших конструктивних виконань та інших матеріалів-наповнювачів, наведені в дужках, при всьому цьому дані, що виходять за межі зазначених діапазонів, також добре вписуються в загальну ідею винаходу): - L=1065 мм [від 800 до 1200 мм] - D=28 мм [від 20 до 50 мм] - d=2 мм [від 1 до 6 мм] - розмір часточок матеріалу-наповнювача: d90=3,0 мм [d90=2-6 мм] 3 3 - об'ємна щільність деревного вугілля: 0,2 кг/м [0,1-0,6 кг/ м ] - теплопровідність матеріалу-наповнювача: 1 Вт/(м*K) - теплоємність матеріалу-наповнювача: 1 Дж/г*K Під час практичних випробувань даного стопору вдалось підтвердити, що можна підтримувати необхідні затрати газу (стосовно аргону: 9 л/хв) на всьому протязі технологічного процесу, не зустрічаючись із перешкодами типу протитиску або іншими негативними ефектами. Конструктивне виконання згідно фіг. 2 аналогічно конструктивному виконанню на фіг. 1, так що нижче наведений опис лише відмітних ознак: Замість однієї суцільної стовпчастої структури із матеріалу-наповнювача (довжиною 0,4 L згідно фіг. 1), конструктивне виконання на фіг. 2 має дві секції 20.1, 20.2 наповнювача (що задаються 2-а патронами), кожна довжиною приблизно в половину відповідної довжини на фіг. 1 (= 0,2 L) і кожна з фільтрувальною пластиною 22.1u, 22.2u лише на своєму нижньому кінці. Таким чином, між двома секціями 20.1, 20.2 наповнювача розташований простір 14i, заданий у відповідній секції газового каналу 14, і задана секція 14m газового каналу між фільтром 22.2u і секцією 141 газового каналу. І останнє, замість деревного вугілля (згідно із прикладом на фіг. 1) використовують здатний до спікання матеріал із гранул MgO, а фільтр виконують із мінеральних волокон. Інакше кажучи, газ, що надходить у газовий канал 14 через з'єднувальний елемент 16, проходить по наступній траєкторії у напрямку до випускного отвору 14o: - секція 14u газового каналу, - секція 20.1 (наповнювача) із MgO, - фільтрувальна пластина 22.1u, - секція 14i газового каналу, - секція 20.2 (наповнювача) із MgO, - фільтрувальна пластина 22.2u, - секція 14m газового каналу, - секція 141 газового каналу, - випускний отвір 14o. Секція (-ї) наповнювача відповідає (-ють) за забезпечення наступних характеристик: - зміна напрямку потоку газу, - збільшення гарячої твердої поверхні контакту з газом, - підтримання тою чи іншою мірою рівномірної температури газу для технологічної обробки (у даному випадку - аргону) усередині газового каналу 14, - виключення супутньої конденсації газу для технологічної обробки уздовж газового каналу 14, - збирання всіх продуктів стирання та/або інших твердих домішок усередині секцій наповнювача та/або сусідніх фільтрувальних пластин і перешкоджання їх проникненню в секцію 141 газового каналу зменшеного діаметра. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Керамічний вогнетривкий стопор, що включає в себе: а) виконаний у формі стрижня корпус (12) стопора, що задає центральну поздовжню вісь (А), який містить: б) щонайменше один з'єднувальний елемент (16) для під'єднання підвідного газопроводу (30), та в) щонайменше один газовий канал (14) загальної довжини (L) усередині корпусу (12) стопора, що простягається між вхідною секцією на першому кінці (12u) корпусу (12) стопора та вихідною секцією на вільній ділянці (12о) зовнішньої поверхні на другому кінці корпусу стопора, причому другий кінець задає стопорну пробку (12h), причому 5 UA 109216 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 г) усередині газового каналу (14) розміщений матеріал (20), що витримує високі температури, із дотриманням наступних умов: д) жароміцний матеріал простягнений уздовж газового каналу (14) на відстань (R), що становить > 25 % від загальної довжини (L) газового каналу (14), та е) твердотілі компоненти матеріалу, що витримує високі температури, на 10-90 % за обсягом заповнюють газовий канал (14) уздовж відповідної відстані (R). 2. Стопор за п. 1, причому газовий канал (14) простягається уздовж більше 50 % його загальної довжини (L) паралельно центральній поздовжній осі (А) стопора. 3. Стопор за п. 1, причому газовий канал (14) має менший поперечний переріз у його частині (14l) усередині стопорної пробки (12h), a матеріал (20), що витримує високі температури, є присутнім лише в іншій частині (14u, 14m) газового каналу (14) більшого поперечного перерізу. 4. Cтопор за п. 1, причому газовий канал (14) має циліндричну форму. 5. Cтопор за п. 1, причому частина (14u, 14m) газового каналу, заповнена матеріалом, що 2 витримує високі температури, має поперечний переріз > 500 мм . 6. Cтопор за п. 1, причому матеріал (20), що витримує високі температури, вибраний із групи матеріалів, що мають щонайменше одну із наступних властивостей: а) теплоємність, визначена відповідно до EN 993-14, 15, більше 0,4 Дж/г·K, б) теплопровідність, визначена відповідно до EN 993-14, 15, більше 0,04 Вт/(м·K), в) термостійкість більше 1000 °C. 7. Cтопор за п. 1, причому матеріал (20), що витримує високі температури, є гранульованим матеріалом. 8. Cтопор за п. 1, причому матеріал (20), що витримує високі температури, вибраний із групи матеріалів, що включає в себе: деревне вугілля, оксидні вогнетривкі матеріали, безоксидні вогнетривкі матеріали. 9. Cтопор за п. 1 або п. 7, причому матеріал (20), що витримує високі температури, передбачений у вигляді продукту, що містить зерна тривимірної конфігурації, гранули, котуни, волокна, пірамідальні/конічні/сферичні часточки. 10. Cтопор за п. 1 або п. 7, причому матеріал (20), що витримує високі температури, забезпечений часточками із індексом зернистості d90, що становить 1-10 мм. 11. Cтопор за п. 1, причому матеріал (20), що витримує високі температури, розташований у вигляді одного суцільного наповнювача. 12. Cтопор за п. 1, причому матеріал (20), що витримує високі температури, розташований у вигляді двох або кількох суцільних наповнювачів (20.1, 20.2) із зазором (14і) між відповідними наповнювачами (20.1, 20.2). 13. Cтопор за п. 1, причому матеріал (20), що витримує високі температури, щонайменше на одному із його вільних кінців закритий жароміцним, газопроникним фільтром (22u, 22о, 22.1u, 22.2u). 14. Cтопор за п. 1, причому твердотілі компоненти матеріалу, що витримує високі температури, на 20-60 % за обсягом заповнюють газовий канал (14) уздовж відповідної відстані (R). 15. Стопор за п. 1, причому матеріал, що витримує високі температури, простягається уздовж газового каналу (14) на відстань (R), що становить ≥ 50 % від загальної довжини (L) газового каналу (14). 6 UA 109216 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7