BR112014013949B1 - NOZZLE AND REFRACTORY ELEMENT ASSEMBLY - Google Patents
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Abstract
CONJUNTO DE BOCAL, ELEMENTO REFRATÁRIO, MÉTODO PARA PRODUZIR UM ELEMENTO REFRATÁRIO COMPOSIÇÃO DE VEDAÇÃO, E, USO DE UM ELEMENTO DE VEDAÇÃO INTUMESCENTE. A presente invenção trata de um conjunto de bocal (20, 30) para um aparelho de lingotamento de metal selecionado a partir de uma abertura deslizante e um dispositivo de troca de tubo, dito conjunto de bocal compreendendo: um primeiro elemento refratário (1) compreendendo uma primeira superfície de acoplamento (1a) que inclui uma primeira orifício de furo, e um segundo elemento refratário (11) compreendendo uma segunda superfície de acoplamento (11a), que inclui uma segunda orifício de furo, o primeiro e o segundo elementos sendo acoplados entre si em uma relação de translação por deslizamento através de suas respectivas primeira e segunda superfícies de acoplamento de tal modo que a primeira e a segunda aberturas de furo podem ser postas em e fora de alinhamento para definir, quando em alinhamento, um furo contínuo (3, 13) para descarregar metal em fusão a partir de uma entrada de metal em fusão (13a) para uma saída de metal em fusão (3b) de dito conjunto de bocal, um elemento de vedação (2) previsto entre a primeira e a segunda superfícies de acoplamento do primeiro e segundo elementos, caracterizado pelo fato de (...).NOZZLE ASSEMBLY, REFRACTORY ELEMENT, METHOD FOR PRODUCING A REFRACTORY ELEMENT, SEALING COMPOSITION, AND, USE OF AN INTUMESCENT SEALING ELEMENT. The present invention relates to a nozzle assembly (20, 30) for a metal casting apparatus selected from a sliding opening and a tube changing device, said nozzle assembly comprising: a first refractory element (1) comprising a first coupling surface (1a) including a first bore orifice, and a second refractory element (11) comprising a second coupling surface (11a) which includes a second bore orifice, the first and second elements being coupled to each other in a sliding translational relationship through their respective first and second mating surfaces such that the first and second hole openings can be brought in and out of alignment to define, when in alignment, a continuous hole ( 3, 13) for discharging molten metal from a molten metal inlet (13a) to a molten metal outlet (3b) of said nozzle assembly, a sealing element (2) provided between the first and the second coupling surfaces of the first and second elements, characterized by the fact that (...).
Description
[001] A presente invenção geralmente se refere a linhas de lingotamento contínuo de metal. Em particular, ela se refere a uma vedação que é particularmente adaptada para vedar a interface entre elementos de um conjunto de bocal em uma linha de lingotamento de metal os quais são acoplados em uma relação de translação por deslizamento, tais como uma placa de válvula em um dispositivo de abertura deslizante ou uma unidade de bocal apropriada para ser usada com um dispositivo de troca de tubo.[001] The present invention generally relates to continuous metal casting lines. In particular, it refers to a seal that is particularly adapted to seal the interface between elements of a nozzle assembly in a metal casting line which are coupled in a sliding translational relationship, such as a valve plate in a sliding opening device or a nozzle unit suitable for use with a tube changing device.
[002] Em processos de formação de metal, metal em fusão é transferido a partir de um recipiente metalúrgico para outro, para um molde ou para uma ferramenta. Por exemplo, como mostrado na figura 1 uma panela (100) cheia com um banho de metal vindo um forno e transferido para uma panela de fundição (200). O metal em fusão pode então ser lingotado a partir da panela de fundição para um molde de lingotamento contínuo para formar placas, blocos, tarugos ou outro tipo de produtos lingotados continuamente ou lingotes ou outros formatos definidos discretos em moldes de fundição. O fluxo do banho de metal para fora de um recipiente metalúrgico é comandado por gravidade através de vários conjuntos de bocal (20, 30) localizados no fundo de tais recipientes.[002] In metal forming processes, molten metal is transferred from one metallurgical container to another, to a mold or to a tool. For example, as shown in Figure 1 a pan (100) filled with a metal bath comes from a furnace and transferred to a casting ladle (200). The molten metal can then be cast from the casting ladle into a continuous casting mold to form slabs, blocks, billets or other types of continuously cast products or ingots or other discrete defined shapes in casting molds. The flow of the metal bath out of a metallurgical vessel is controlled by gravity through a plurality of nozzle assemblies (20, 30) located at the bottom of such vessels.
[003] Alguns destes conjuntos de bocal compreendem elementos que são móveis um com respeito ao outro. Por exemplo, a panela (100) é provida no seu pavimento de fundo (100a) com um dispositivo de abertura deslizante (20) como ilustrado na figura 2 acoplando um bocal interno (21) incrustado em um revestimento refratário do pavimento da panela com um bocal coletor (22) estendendo-se fora da panela. Uma placa de abertura (25) compreendendo um furo transpassante é ensanduichada entre o bocal interno e o bocal coletor e é capaz de deslizar linearmente entre os dois para colocar o seu furo transpassante em ou fora de alinhamento com os furos passantes dos bocais interno e externo.[003] Some of these nozzle assemblies comprise elements that are movable with respect to each other. For example, the pan (100) is provided on its bottom floor (100a) with a sliding opening device (20) as illustrated in figure 2, coupling an internal nozzle (21) embedded in a refractory lining of the pan floor with a collection nozzle (22) extending outside the pan. An aperture plate (25) comprising a through hole is sandwiched between the inner nozzle and the collecting nozzle and is capable of sliding linearly between the two to place its through hole in or out of alignment with the through holes of the inner and outer nozzles. .
[004] Um outro exemplo é um dispositivo de troca de tubo (30), montado no pavimento de fundo de uma panela de fundição (200) para descarregar o metal em fusão contido na panela de fundição em um molde ou uma ferramenta. Ele compreende um bocal interno (31) incrustado no revestimento refratário do pavimento da panela de fundição e um bocal de vazamento (32) estendendo-se fora da panela de fundição. Como o tempo de serviço destes bocais de vazamento é geralmente mais curto do que uma operação de lingotamento completa, um dispositivo de troca de tubo é frequentemente usado, permitindo a troca do bocal de vazamento (32) sem interromper a operação de lingotamento, por deslizamento de um novo bocal de vazamento ao longo de meios de guia apropriados para empurrar para fora e substituir o bocal de vazamento desgastado como ilustrado nas figuras 3 e 4.[004] Another example is a tube changing device (30), mounted on the bottom floor of a casting ladle (200) to discharge the molten metal contained in the casting ladle into a mold or tool. It comprises an internal nozzle (31) embedded in the refractory lining of the ladle floor and a pouring nozzle (32) extending outside the ladle. As the service time of these casting nozzles is generally shorter than a complete casting operation, a tube changing device is often used, allowing the casting nozzle (32) to be changed without interrupting the casting operation, by sliding of a new pouring nozzle along suitable guide means to push out and replace the worn pouring nozzle as illustrated in figures 3 and 4.
[005] Uma estanqueidade perfeita ao ar das interfaces entre elementos acoplados é de primordial importância em um equipamento de lingotamento de metal porque, por um lado, mais de metal em fusão prontamente oxida em contato com ar a tais altas temperaturas e, por outro lado, por causa do fluxo através do furo do bocal, sucção de ar é criada em qualquer interface não estanque por efeito Venturi. Este problema é particularmente sensível em elementos que podem ser movidos durante operação e ainda, devem reter sua plena estanqueidade.[005] A perfect airtightness of the interfaces between coupled elements is of primary importance in metal casting equipment because, on the one hand, more molten metal readily oxidizes in contact with air at such high temperatures and, on the other hand, , because of the flow through the nozzle hole, air suction is created at any non-tight interface by Venturi effect. This problem is particularly sensitive in elements that can be moved during operation and must still retain their complete tightness.
[006] Para impedir que ar seja aspirado para dentro de folgas nas interfaces entre elementos de um conjunto de bocal, dois elementos são acoplados entre si por meios de sujeição, tais como molas, aplicando forças intensas para pressionar as superfícies de contato dos dois elementos uma contra a outra. Esta solução tem limitações, porque forças de sujeição muito altas vão prejudicar o deslizamento dos dois elementos um com respeito ao outro e é ineficiente em caso de pequenos defeitos na interface, tais como alguma aspereza local. Uma manta de gás é frequentemente usada injetando um gás tal como argônio ou nitrogênio, através de canais previstos nas ou adjacente às interfaces. Esta solução, porém, consome grandes volumes de gás e não impede completamente a admissão de ar. As superfícies em contato de deslizamento são frequentemente revestidas com uma camada de lubrificante, tal como grafita, incrustada em um aglutinante tal como vidro líquido e aditivos tais como argilas, como bentonita ou similares. Estas camadas lubrificantes agem até certo ponto como uma vedação da interface entre duas superfícies refratárias, mas as condições ambientais em torno de conjuntos de bocal são tão extremas, com temperaturas localmente muito altas e altos gradientes térmicos, que o efeito de vedação é geralmente insuficiente para assegurar completa estanqueidade ao ar do conjunto.[006] To prevent air from being drawn into gaps at the interfaces between elements of a nozzle assembly, two elements are coupled together by holding means, such as springs, applying intense forces to press the contact surfaces of the two elements one against the other. This solution has limitations, because very high holding forces will hinder the sliding of the two elements with respect to each other and is inefficient in the case of small defects at the interface, such as some local roughness. A gas blanket is often used by injecting a gas such as argon or nitrogen through channels provided at or adjacent to the interfaces. This solution, however, consumes large volumes of gas and does not completely prevent air intake. The surfaces in sliding contact are often coated with a layer of lubricant, such as graphite, embedded in a binder such as liquid glass and additives such as clays, such as bentonite or the like. These lubricating layers act to some extent as an interface seal between two refractory surfaces, but the environmental conditions around nozzle assemblies are so extreme, with locally very high temperatures and high thermal gradients, that the sealing effect is generally insufficient to ensure complete air tightness of the assembly.
[007] A presente invenção propõe uma solução para assegurar uma interface estanque ao ar entre duas superfícies refratárias de um conjunto de bocal, mesmo quando elas são acopladas entre si em uma relação de translação por deslizamento. A presente solução não requer qualquer usinagem fina das superfícies de acoplamento.[007] The present invention proposes a solution for ensuring an airtight interface between two refractory surfaces of a nozzle assembly, even when they are coupled together in a sliding translation relationship. The present solution does not require any fine machining of the mating surfaces.
[008] A presente invenção é definida pelas reivindicações independentes anexas. As reivindicações dependentes definem formas de realização preferidas. Em particular, a presente invenção tratada de um conjunto de bocal para um aparelho de lingotamento de metal selecionado a partir de uma abertura deslizante e um dispositivo de troca de tubo, dito conjunto de bocal compreendendo: - um primeiro elemento refratário compreendendo uma primeira superfície de acoplamento que inclui uma primeira abertura de furo, e - um segundo elemento refratário compreendendo uma segunda superfície de acoplamento, que inclui uma segunda abertura de furo, o primeiro e o segundo elementos sendo acoplados entre si em uma relação de translação por deslizamento através de suas respectivas primeira e segunda superfícies de acoplamento de tal modo que a primeira e a segunda aberturas de furo podem ser colocadas em e fora de alinhamento para definir, quando em alinhamento, um furo contínuo para descarregar metal em fusão a partir de uma entrada de metal em fusão para uma saída de metal em fusão de dito conjunto de bocal, - um elemento de vedação previsto entre a primeira e a segunda superfícies de acoplamento dos primeiro e segundo elementos, distinguido pelo fato de que o elemento de vedação compreende um material termicamente intumescente.[008] The present invention is defined by the attached independent claims. The dependent claims define preferred embodiments. In particular, the present invention deals with a nozzle assembly for a metal casting apparatus selected from a sliding opening and a tube changing device, said nozzle assembly comprising: - a first refractory element comprising a first surface of coupling including a first hole opening, and - a second refractory element comprising a second coupling surface, which includes a second hole opening, the first and second elements being coupled together in a sliding translational relationship through their respective first and second mating surfaces such that the first and second hole openings can be placed in and out of alignment to define, when in alignment, a continuous hole for discharging molten metal from a metal inlet in fusion to a molten metal outlet of said nozzle assembly, - a sealing element provided between the first and second mating surfaces of the first and second elements, distinguished by the fact that the sealing element comprises a thermally intumescent material.
[009] No presente contexto, um "conjunto de bocal"é definido como qualquer conjunto compreendendo pelo menos um bocal compreendendo um furo permitindo o lingotamento de metal em fusão para fora de um recipiente.[009] In the present context, a "nozzle assembly" is defined as any assembly comprising at least one nozzle comprising a hole allowing the casting of molten metal out of a container.
[0010] O elemento de vedação intumescente de um conjunto de bocal de acordo com a presente invenção preferivelmente tem: - uma temperatura de dilatação inicial, Ti de pelo menos 130°C, preferivelmente pelo menos 400°C, mais preferivelmente pelo menos 600°C, e/ou - uma dilatação relativa máxima, Vmax/V20, a uma temperatura, Tmax, de dilatação máxima compreendida entre, Ti e 1400°C, com respeito a seu volume medido a 20°C, de pelo menos 10, preferivelmente pelo menos 25, mais preferivelmente pelo menos 50, o mais preferivelmente pelo menos 80.[0010] The intumescent sealing element of a nozzle assembly according to the present invention preferably has: - an initial expansion temperature, Ti of at least 130°C, preferably at least 400°C, more preferably at least 600° C, and/or - a maximum relative expansion, Vmax/V20, at a temperature, Tmax, of maximum expansion comprised between Ti and 1400°C, with respect to its volume measured at 20°C, of at least 10, preferably at least 25, more preferably at least 50, most preferably at least 80.
[0011] Um "material termicamente intumescente"é uma substância que intumesce como resultado de exposição ao calor, assim aumentando em volume, e diminuindo de densidade. O intumescimento de um material intumescente é geralmente causado por uma transformação de fase de pelo menos um componente de dito material e é claramente distinguido da dilatação térmica normal que geralmente aumenta linearmente com temperatura, DV =a DT, em que a é o coeficiente de dilatação térmica. Um material intumescente apropriado para a presente invenção pode ser composto de um material em camadas que é modificado intercalando outros materiais entre as camadas para causar intumescência por exposição ao calor, tal como: - grafita expansível, argila, mica, ou perlita, que compreende um ou mais de ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácidos orgânicos tais como ácidos acético ou fenólico, e sais dos mesmos, cloro e bromo gasoso intercalados entre camadas cristalinas adjacentes; grafita expansível intercalada com um composto contendo enxofre ou fósforo é preferida; - vermiculita, preferivelmente na forma de camadas interestratificadas de vermiculita e biotita,[0011] A "thermally intumescent material" is a substance that swells as a result of exposure to heat, thus increasing in volume, and decreasing in density. The swelling of an intumescent material is generally caused by a phase transformation of at least one component of said material and is clearly distinguished from normal thermal expansion which generally increases linearly with temperature, DV =a DT, where a is the coefficient of expansion thermal. An intumescent material suitable for the present invention may be composed of a layered material that is modified by sandwiching other materials between the layers to cause intumescence upon exposure to heat, such as: - expandable graphite, clay, mica, or perlite, which comprises a or more of sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, organic acids such as acetic or phenolic acids, and salts thereof, chlorine and bromine gas interspersed between adjacent crystalline layers; expandable graphite interspersed with a sulfur or phosphorus-containing compound is preferred; - vermiculite, preferably in the form of interstratified layers of vermiculite and biotite,
[0012] Em uma forma de realização da presente invenção, o elemento de vedação intumescente é uma camada de revestimento de espessura não expandida preferivelmente compreendida entre 0,1 e 3,0mm, mais preferivelmente entre 0,2 e 1,0 mm, o mais preferivelmente entre 0,3 e 0,6mm. Dita camada de revestimento pode ser opcionalmente coberta por uma camada de vedação final como por exemplo uma mistura de grafita padrão. O elemento de vedação pode assim ser revestido over uma porção substancial, preferivelmente a totalidade da primeira e/ou segunda superfícies de acoplamento. Alternativamente o elemento de vedação pode ser aplicado em uma ranhura sobre a primeira e/ou a segunda superfícies de acoplamento, circunscrevendo pelo menos parcialmente a primeira e/ou a segunda aberturas de furo, respectivamente. A ranhura tem preferivelmente pelo menos 0,5 mm de profundidade, mais preferivelmente pelo menos 1.0 mm de profundidade, o mais preferivelmente, pelo menos 3,0 mm de profundidade.[0012] In an embodiment of the present invention, the intumescent sealing element is a non-expanded coating layer of thickness preferably comprised between 0.1 and 3.0 mm, more preferably between 0.2 and 1.0 mm, the more preferably between 0.3 and 0.6mm. Said coating layer can optionally be covered by a final sealing layer such as a standard graphite mixture. The sealing element may thus be coated over a substantial portion, preferably the entire first and/or second mating surfaces. Alternatively the sealing element may be applied in a groove on the first and/or second mating surfaces, at least partially circumscribing the first and/or second hole openings, respectively. The groove is preferably at least 0.5 mm deep, more preferably at least 1.0 mm deep, most preferably at least 3.0 mm deep.
[0013] Em uma forma de realização alternativa, o elemento de vedação pode estar na forma de uma gaxeta, preferivelmente aninhado em uma ranhura sobre a primeira e/ou a segunda superfícies de acoplamento, circunscrevendo pelo menos parcialmente a primeira e/ou segunda aberturas de furo, respectivamente.[0013] In an alternative embodiment, the sealing element may be in the form of a gasket, preferably nested in a groove on the first and/or second mating surfaces, at least partially circumscribing the first and/or second openings. hole, respectively.
[0014] O elemento de vedação pode compreender: - 5-95% em peso de um material intumescente, compreendendo grafita expansível e/ou vermiculita; - 5-95% em peso de um aglutinante, tal como vidro líquido, preferivelmente comisturado com um ou mais de argila, Na2CO3, CaCO3, MgCO3, NaHCO3, Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2; - 0-80% em peso de um lubrificante, tal como grafita (não expansível); - 0-20% em peso de um antioxidante tal como alumínio, silício ou molibdênio,[0014] The sealing element may comprise: - 5-95% by weight of an intumescent material, comprising expandable graphite and/or vermiculite; - 5-95% by weight of a binder, such as liquid glass, preferably co-mixed with one or more clay, Na2CO3, CaCO3, MgCO3, NaHCO3, Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2; - 0-80% by weight of a lubricant, such as graphite (non-expandable); - 0-20% by weight of an antioxidant such as aluminum, silicon or molybdenum,
[0015] Em que as % em peso são medidas como peso seco de sólidos com respeito ao peso seco total da composição do elemento de vedação.[0015] Wherein the % by weight are measured as dry weight of solids with respect to the total dry weight of the sealing element composition.
[0016] Em uma forma de realização preferida, o material intumescente é encapsulado em uma microcápsula que pode escoar, volatilizar ou degradar por exposição a uma dada temperatura, ou a uma tensão mecânica, tal como cisalhamento por deslizamento de uma superfície de acoplamento over a outra. Estas microcápsulas são vantajosamente compostas de vidro líquido, sílica coloidal ou fosfato de alumínio, preferivelmente em combinação com um ou mais de argila, Na2CO3, CaCO3, MgCO3, NaHCO3, Ca(HCO3)2, ou Mg(HCO3)2, preferivelmente presente em uma quantidade na faixa de 0,5-80% em peso, mais preferivelmente 5-30%. Esta camada de cápsula protetora pode ser: - aplicada sobre uma base, preferivelmente composta de uma mistura de resina fenólica e furfural em uma razão em peso compreendida entre 3:8 e 3:1, preferivelmente entre 1:1 e 3:2, dita base sendo aplicada diretamente sobre os flocos intumescentes; e/ou - coberta por uma camada de topo de acabamento, preferivelmente compreendendo uma mistura de resina fenólica e furfural.[0016] In a preferred embodiment, the intumescent material is encapsulated in a microcapsule that can flow, volatilize or degrade upon exposure to a given temperature, or to a mechanical stress, such as shear by sliding a mating surface over a other. These microcapsules are advantageously composed of liquid glass, colloidal silica or aluminum phosphate, preferably in combination with one or more clay, Na2CO3, CaCO3, MgCO3, NaHCO3, Ca(HCO3)2, or Mg(HCO3)2, preferably present in an amount in the range of 0.5-80% by weight, more preferably 5-30%. This protective capsule layer can be: - applied on a base, preferably composed of a mixture of phenolic resin and furfural in a weight ratio comprised between 3:8 and 3:1, preferably between 1:1 and 3:2, said base being applied directly onto the swollen flakes; and/or - covered by a top finishing layer, preferably comprising a mixture of phenolic resin and furfural.
[0017] Esta forma de realização é particularmente apropriada para bocais de vazamento intercambiáveis porque eles são frequentemente pré- aquecidos antes da montagem sobre um dispositivo de troca de tubo. Na verdade, a encapsulação assegura que o material intumescente começa a intumescer apenas quando a primeira superfície de acoplamento é montada em um conjunto de bocal e exposta a tensões de cisalhamento por deslizamento e/ou a altas temperaturas quando em posição de lingotamento.[0017] This embodiment is particularly suitable for interchangeable pouring nozzles because they are often preheated before mounting on a tube changing device. In fact, encapsulation ensures that the swellable material begins to swell only when the first mating surface is mounted on a nozzle assembly and exposed to sliding shear stresses and/or high temperatures when in the casting position.
[0018] A presente invenção também trata de um elemento refratário de um conjunto de bocal para um aparelho de lingotamento de metal, dito elemento refratário compreendendo uma primeira abertura de furo transpassante em uma primeira superfície de acoplamento substancialmente plana apropriada para ser acoplada em uma relação de translação por deslizamento com uma segunda superfície de acoplamento de um segundo elemento refratário, caracterizado pelo fato de que a primeira superfície de acoplamento de dito elemento refratário é provida com uma elemento de vedação compreendendo um material termicamente intumescente. O elemento de vedação e o material intumescente são preferivelmente como discutidos acima. O elemento refratário da presente invenção é preferivelmente um dentre: - um bocal de vazamento apropriado para ser carregado em e descarregado para fora de um dispositivo de troca de tubo; - um bocal interno a ser montado no pavimento de fundo de um recipiente e fixado a um dispositivo de troca de tubo; - uma placa deslizante em um dispositivo de abertura deslizante montado sob uma panela ou uma panela de fundição; - uma placa fixa em contato de deslizamento com uma placa deslizante (25) em um dispositivo de abertura deslizante montado sob uma panela ou uma panela de fundição.[0018] The present invention also relates to a refractory element of a nozzle assembly for a metal casting apparatus, said refractory element comprising a first through hole opening in a first substantially flat coupling surface suitable for being coupled in a relationship sliding translation with a second coupling surface of a second refractory element, characterized in that the first coupling surface of said refractory element is provided with a sealing element comprising a thermally intumescent material. The sealing element and the intumescent material are preferably as discussed above. The refractory element of the present invention is preferably one of: - a pouring nozzle suitable for being loaded into and discharged out of a tube changing device; - an internal nozzle to be mounted on the bottom floor of a container and attached to a tube changing device; - a sliding plate in a sliding opening device mounted under a pan or a casting pan; - a fixed plate in sliding contact with a sliding plate (25) in a sliding opening device mounted under a ladle or a casting ladle.
[0019] A presente invenção também trata de um método para produzir um elemento refratário como discutido acima compreendendo as seguintes etapas: (a) proporcionar um elemento refratário compreendendo um primeiro orifício de furo transpassante (3) em uma primeira superfície de acoplamento, dita primeira superfície de acoplamento sendo apropriada para ser acoplada em uma relação de translação por deslizamento com uma segunda superfície de acoplamento de um segundo elemento refratário; (b) aplicar um elemento de vedação sobre a primeira superfície de acoplamento, de modo a preferivelmente circunscrever a orifício de furo, distinguido pelo fato de que o elemento de vedação compreende um material termicamente intumescente.[0019] The present invention also deals with a method for producing a refractory element as discussed above comprising the following steps: (a) providing a refractory element comprising a first through-hole orifice (3) on a first coupling surface, said first coupling surface being suitable for being coupled in a sliding translational relationship with a second coupling surface of a second refractory element; (b) applying a sealing element onto the first coupling surface, so as to preferably circumscribe the bore orifice, distinguished by the fact that the sealing element comprises a thermally intumescent material.
[0020] O elemento de vedação pode ser aplicado à primeira superfície de acoplamento como: - um revestimento cobrindo a totalidade ou uma porção apenas da primeira superfície de acoplamento, por escovação, pulverização, uso de um rodo ou de um rolo, impressão, tal como impressão em tela ou impressão em gravura; - um revestimento preenchendo uma ranhura prevista sobre a primeira superfície de acoplamento e circunscrevendo a abertura do furo transpassante por injeção, rodo, moldagem; ou - uma gaxeta pré-formada encaixada em uma ranhura prevista sobre a primeira superfície de acoplamento e preferivelmente circunscrevendo a abertura do furo transpassante.[0020] The sealing element can be applied to the first mating surface as: - a coating covering the entirety or a portion only of the first mating surface, by brushing, spraying, using a squeegee or a roller, printing, such such as screen printing or gravure printing; - a coating filling a groove provided on the first coupling surface and circumscribing the opening of the through hole by injection, squeegee, molding; or - a preformed gasket fitted into a groove provided on the first coupling surface and preferably circumscribing the opening of the through hole.
[0021] Uma vez um elemento refratário compreendendo um elemento de vedação intumescente circunscrevendo uma abertura de furo sobre uma primeira superfície de acoplamento do mesmo foi produzido pelo método acima, ele pode ser: - acoplado por translação por deslizamento de dita primeira superfície de acoplamento sobre uma segunda superfície de acoplamento compreendendo uma segunda abertura de furo de um segundo elemento refratário do conjunto de bocal, de tal modo que o elemento de vedação contata ambas a primeira e a segunda superfícies de acoplamento e colocando a primeira e a segunda aberturas de furo em e fora de alinhamento, para definir, quando em alinhamento, uma furo transpassante contínuo a partir de uma entrada de metal em fusão para uma saída de metal em fusão; os primeiro e segundo elementos refratários assim acoplados podem então ser, - aquecidos a uma temperatura pelo menos suficiente para intumescer o material intumescente do elemento de vedação.[0021] Once a refractory element comprising an intumescent sealing element circumscribing a hole opening on a first coupling surface thereof has been produced by the above method, it can be: - coupled by sliding translation of said first coupling surface on a second mating surface comprising a second hole opening of a second refractory element of the nozzle assembly, such that the sealing element contacts both the first and second mating surfaces and placing the first and second hole openings in and out of alignment, to define, when in alignment, a continuous through hole from a molten metal inlet to a molten metal outlet; The first and second refractory elements thus coupled may then be heated to a temperature at least sufficient to swell the intumescent material of the sealing element.
[0022] Nesse ponto obre, o lingotamento de metal em fusão através do conjunto de bocal pode ter lugar com pouco risco de admissão de ar através da junta entre o primeiro e o segundo elementos refratários.[0022] At this point, casting of molten metal through the nozzle assembly can take place with little risk of air intake through the joint between the first and second refractory elements.
[0023] A etapa de aquecimento a uma temperatura suficiente para intumescer o material intumescente pode se fundamentar no calor do metal em fusão ser transferido para o material intumescente ou implica uma outra fonte de calor como um queimador separado ou outros.[0023] The step of heating to a temperature sufficient to swell the intumescent material may be based on the heat of the molten metal being transferred to the intumescent material or involve another heat source such as a separate burner or others.
[0024] No caso do primeiro elemento refratário e do elemento de vedação serem pré-aquecidos a uma temperatura de pré-aquecimento antes de acoplamento ao segundo elemento refratário, o material intumescente deve ser impedido de alcançar sua dilatação máxima antes de ser montado n um conjunto de bocal correspondente. Isto pode ser obtido: - mantendo a temperatura de pré-aquecimento abaixo da temperatura, Tmax, de dilatação máxima do material intumescente, e preferivelmente abaixo da temperatura de intumescimento inicial, Ti ou - encapsulando o material intumescente em cápsulas que são quimicamente e/ou mecanicamente e/ou termicamente danificadas por deslizamento do primeiro elemento refratário para a posição de lingotamento no conjunto de bocal e/ou (ii) por lingotamento do metal em fusão.[0024] In case the first refractory element and the sealing element are preheated to a preheating temperature before coupling to the second refractory element, the intumescent material must be prevented from reaching its maximum expansion before being mounted on a matching nozzle set. This can be achieved by: - maintaining the preheating temperature below the temperature, Tmax, of maximum expansion of the intumescent material, and preferably below the initial swelling temperature, Ti or - encapsulating the intumescent material in capsules that are chemically and/or mechanically and/or thermally damaged by sliding the first refractory element into the casting position in the nozzle assembly and/or (ii) by casting the molten metal.
[0025] Várias formas de realização da presente invenção são ilustradas nas figuras anexas:[0025] Various embodiments of the present invention are illustrated in the attached figures:
[0026] A figura 1: mostra esquematicamente uma linha de lingotamento contínuo típico.[0026] Figure 1: schematically shows a typical continuous casting line.
[0027] A figura 2: mostra uma vista lateral destacada de uma primeira (a) & (b) e segunda (c) & (d) formas de realização de um dispositivo de abertura deslizante de acordo com a presente invenção.[0027] Figure 2: shows a detached side view of a first (a) & (b) and second (c) & (d) embodiments of a sliding opening device in accordance with the present invention.
[0028] A figura 3: mostra uma vista em perspectiva destacada de um dispositivo de troca de tubo de acordo com a presente invenção.[0028] Figure 3: shows a detached perspective view of a tube changing device according to the present invention.
[0029] A figura 4: mostra uma vista em perspectiva destacada de um dispositivo de troca de tubo alternativo de acordo com a presente invenção[0029] Figure 4: shows a detached perspective view of an alternative tube changing device in accordance with the present invention
[0030] A figura 5: mostra vistas laterais de várias formas de realização de uma superfície de acoplamento compreendendo um elemento de vedação de acordo com a presente invenção[0030] Figure 5: shows side views of various embodiments of a coupling surface comprising a sealing element according to the present invention
[0031] A presente invenção resolve de uma maneira simples e confiável o problema de impedir que ar seja aspirado no metal em fusão escoando através de um conjunto de bocal por efeito Venturi através da interface entre dois elementos refratários. A presente invenção é particularmente vantajosa para vedar a interface entre duas superfícies refratárias que são acopladas em uma relação de translação por deslizamento, tal como em uma abertura deslizante ou um dispositivo de troca de tubo como ilustrado nas figuras 2 a 4. Quando dois elementos refratários são acoplados estaticamente, é um pouco mais fácil - embora ainda um desafio - vedar a junta entre as duas partes. Quando dois elementos são acoplados dinamicamente, o desafio de vedar a junta entre os dois é aumentado substancialmente. A presente invenção atende este desafio.[0031] The present invention solves in a simple and reliable way the problem of preventing air from being sucked into the molten metal by flowing through a nozzle assembly by Venturi effect through the interface between two refractory elements. The present invention is particularly advantageous for sealing the interface between two refractory surfaces that are coupled in a sliding translational relationship, such as in a sliding opening or a tube changing device as illustrated in Figures 2 to 4. When two refractory elements are statically coupled, it is a little easier - although still a challenge - to seal the joint between the two parts. When two elements are dynamically coupled, the challenge of sealing the joint between the two is substantially increased. The present invention meets this challenge.
[0032] Quando dois elementos refratários devem ser acoplados em uma relação de translação por deslizamento, tal como um bocal de vazamento intercambiável (32) em um dispositivo de troca de tubo (30) montado no fundo de um panela de fundição como ilustrado nas figuras 3 e 4, ou uma abertura deslizante (25) em um dispositivo de abertura deslizante (20) como ilustrado na figura 2, é extremamente difícil assegurar uma estanqueidade completa entre as superfícies de acoplamento (1a, 11a) dos dois elementos refratários. Na verdade, as forças de sujeição aplicadas a elementos dinamicamente acoplados não podem ser tão altas como entre elementos estaticamente acoplados, para que o deslizamento entre as duas superfícies de acoplamento seja obstruído, o que aumenta o risco de uma folga entre os dois elementos. O deslizamento de uma superfície de acoplamento sobre a outra pode criar riscos na junta, que podem facilmente se transformar em vias de passagem de vazamento para o ar. Finalmente, é não é possível vedar a junta entre dois elementos com um cordão correndo na periferia de dita junta, porque o cordão seria quebrado quando se move um elemento com respeito ao outro. A presente invenção resolve este problema conhecido de há muito - embora nunca solucionado satisfatoriamente - de uma maneira muito simples, barata e eficiente, proporcionando entre a primeira e a segunda superfícies de acoplamento de dois elementos refratários, um elemento de vedação (2) compreendendo um material termicamente intumescente. Falando estritamente, o termo "termicamente"é redundante, uma vez que os materiais intumescentes são definidos como materiais que intumescem por exposição ao calor, mas era julgada necessária especificar o termo "termicamente” para evitar qualquer extensão (injustificada) do termo 'intumescente’ a intumescimento causado por outras fontes, tais como exposição a água, o que seria inaceitável em um conjunto de bocal de lingotamento de metal em fusão.[0032] When two refractory elements are to be coupled in a sliding translational relationship, such as an interchangeable pouring nozzle (32) on a tube changing device (30) mounted on the bottom of a casting ladle as illustrated in the figures 3 and 4, or a sliding opening (25) in a sliding opening device (20) as illustrated in figure 2, it is extremely difficult to ensure complete tightness between the mating surfaces (1a, 11a) of the two refractory elements. In fact, the clamping forces applied to dynamically coupled elements cannot be as high as between statically coupled elements, so that sliding between the two mating surfaces is obstructed, which increases the risk of a gap between the two elements. Sliding one mating surface over another can create scratches in the joint, which can easily become leakage paths for air. Finally, it is not possible to seal the joint between two elements with a cord running on the periphery of said joint, because the cord would be broken when one element moves with respect to the other. The present invention solves this long-known problem - although never satisfactorily solved - in a very simple, cheap and efficient way, by providing between the first and second coupling surfaces of two refractory elements, a sealing element (2) comprising a thermally intumescent material. Strictly speaking, the term "thermally" is redundant, since intumescent materials are defined as materials that swell on exposure to heat, but it was felt necessary to specify the term "thermally" to avoid any (unwarranted) extension of the term 'intumescent'. swelling caused by other sources, such as exposure to water, which would be unacceptable in a molten metal casting nozzle assembly.
[0033] Há é uma grande variedade de materiais intumescentes com diferentes propriedades. Eles são amplamente usados em aplicações contra fogo. Em tais aplicações, a liberação endotérmica de água por hidratos por exposição ao calor gerado por fogo é aproveitada para manter a temperatura de uma estrutura baixa e o resíduo carbonáceo produzido por este material é geralmente um mau condutor de calor. Eles são usualmente aplicados em portas, janelas, e tubos cortafogo. Para os fins da presente invenção, os aspectos importantes dos materiais intumescentes são suas características de dilatação. Um elemento de vedação intumescente (2) particularmente apropriado para a presente invenção deve ter preferivelmente uma temperatura de dilatação inicial, Ti, de pelo menos 130°C, preferivelmente pelo menos 400°C, mais preferivelmente pelo menos 600°C. A dilatação relativa máxima, Vmax / V20, a uma temperatura, Tmax, de dilatação máxima compreendida entre, Ti, e 1400°C, com respeito a seu volume medido a 20°C deve preferivelmente ser pelo menos 10, preferivelmente pelo menos 25, mais preferivelmente pelo menos 50, o mais preferivelmente pelo menos 80.[0033] There is a wide variety of intumescent materials with different properties. They are widely used in firefighting applications. In such applications, the endothermic release of water by hydrates upon exposure to heat generated by fire is harnessed to maintain the temperature of a structure low and the carbonaceous residue produced by this material is generally a poor conductor of heat. They are usually applied to doors, windows, and fire pipes. For the purposes of the present invention, important aspects of intumescent materials are their swelling characteristics. An intumescent sealing element (2) particularly suitable for the present invention should preferably have an initial expansion temperature, Ti, of at least 130°C, preferably at least 400°C, more preferably at least 600°C. The maximum relative expansion, Vmax / V20, at a temperature, Tmax, of maximum expansion comprised between, Ti, and 1400°C, with respect to its volume measured at 20°C should preferably be at least 10, preferably at least 25, more preferably at least 50, most preferably at least 80.
[0034] Materiais intumescentes são geralmente compostos de um material hospedeiro em camadas que é modificado intercalando outros materiais entre camadas adjacentes. Aquecendo, o material intercalado entre camadas muda de fase, geralmente virando gás e assim aumentando fortemente de volume, e produz uma forte pressão separando a força camadas adjacentes do material hospedeiro. Esta súbita e às vezes substancial dilatação é chamada intumescência, ou esfoliação. A magnitude da dilatação para um dado material hospedeiro depende de uma série de parâmetros. Primeiro, a natureza do material intercalado afeta a magnitude da dilatação e a temperatura na qual a dilatação ocorre. Para um dado material intumescente, o tamanho das partículas do material hospedeiro pode também influenciar a razão de dilatação do material. A taxa de aquecimento de um material intumescente pode também afetar sua resposta ao calor, uma taxa de aquecimento lenta reduzindo a dilatação, comparada com uma alta taxa de aquecimento. Finalmente, encapsular um material intumescente pode também retardar o intumescimento do material.[0034] Intumescent materials are generally composed of a layered host material that is modified by sandwiching other materials between adjacent layers. When heated, the material interspersed between layers changes phase, generally turning into a gas and thus increasing strongly in volume, and produces a strong pressure, forcibly separating adjacent layers from the host material. This sudden and sometimes substantial dilation is called intumescence, or exfoliation. The magnitude of expansion for a given host material depends on a number of parameters. First, the nature of the intercalated material affects the magnitude of expansion and the temperature at which expansion occurs. For a given intumescent material, the particle size of the host material can also influence the swelling ratio of the material. The heating rate of an intumescent material can also affect its response to heat, a slow heating rate reducing expansion compared to a high heating rate. Finally, encapsulating an intumescent material can also delay the swelling of the material.
[0035] Exemplos de materiais intumescentes apropriados para uso em no elemento de vedação (2) de um conjunto de bocal de acordo com a presente invenção compreendem um ou uma mistura de: - grafita expansível, argila, mica, ou perlita, que compreende um ou mais ácidos e sais dos mesmos, tais como ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácidos orgânicos tais como as ácidos acético ou fenólico, assim como os halogênios, metais alcalinos, cloreto de alumínio, cloreto férrico, outros halogenetos de metal, sulfeto de arsênico, sulfeto de tálio, cloro e bromo gasoso intercalados entre camadas cristalinas adjacentes de grafeno; - vermiculita, preferivelmente na forma de camadas interestratificadas de vermiculita e biotita como descrito por exemplo em US5340643, cuja descrição é aqui incorporada por referência;[0035] Examples of intumescent materials suitable for use in the sealing element (2) of a nozzle assembly according to the present invention comprise one or a mixture of: - expandable graphite, clay, mica, or perlite, which comprises a or more acids and salts thereof, such as sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, organic acids such as acetic or phenolic acids, as well as halogens, alkali metals, aluminum chloride, ferric chloride, other metal halides, sulfide of arsenic, thallium sulfide, chlorine and bromine gas interspersed between adjacent crystalline layers of graphene; - vermiculite, preferably in the form of interstratified layers of vermiculite and biotite as described for example in US5340643, the description of which is incorporated herein by reference;
[0036] Dentre esses materiais, grafita expansível é preferida.[0036] Among these materials, expandable graphite is preferred.
[0037] O material de vedação compreende pelo menos um material intumescente, preferivelmente em uma quantidade compreendida entre 5 e 95% em peso. Outros materiais são preferivelmente usados: - um aglutinante pode ser usado para aglutinar entre si partículas intumescentes ou para encapsular estas partículas. Um exemplo de aglutinante apropriado é vidro líquido, preferivelmente comisturado com um ou mais dentre argila, Na2CO3, CaCO3, MgCO3, NaHCO3, Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2. O aglutinante está preferivelmente presente em uma quantidade de 5-95% em peso. - um lubrificante é particularmente útil para facilitar deslizamento de uma superfície de acoplamento sobre a outra. Um exemplo de lubrificante apropriado para a presente invenção é grafita (não expansível). Ela está preferivelmente presente em uma quantidade compreendida entre 0 e 80% em peso, preferivelmente entre 10 e 50% em peso, mais preferivelmente entre 15 e 40% em peso, o mais preferivelmente entre 20 e 35% em peso. - um antioxidante é usado para proteger o material de vedação exposto a condições térmicas extremas. Um exemplo de antioxidante é alumínio, que pode estar presente em uma quantidade de 0-20% em peso, preferivelmente entre 2 e 10% em peso.[0037] The sealing material comprises at least one intumescent material, preferably in an amount comprised between 5 and 95% by weight. Other materials are preferably used: - a binder can be used to bind swollen particles together or to encapsulate these particles. An example of a suitable binder is liquid glass, preferably co-mixed with one or more of clay, Na2CO3, CaCO3, MgCO3, NaHCO3, Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2. The binder is preferably present in an amount of 5-95% by weight. - a lubricant is particularly useful to facilitate sliding of one mating surface over another. An example of a suitable lubricant for the present invention is graphite (non-expandable). It is preferably present in an amount comprised between 0 and 80% by weight, preferably between 10 and 50% by weight, more preferably between 15 and 40% by weight, most preferably between 20 and 35% by weight. - an antioxidant is used to protect sealing material exposed to extreme thermal conditions. An example of an antioxidant is aluminum, which may be present in an amount of 0-20% by weight, preferably between 2 and 10% by weight.
[0038] As % em peso são medidas como peso seco de sólidos com respeito ao peso seco total da composição do elemento de vedação.[0038] Weight % is measured as dry weight of solids with respect to the total dry weight of the sealing element composition.
[0039] O elemento de vedação (2) pode estar na forma de um revestimento sobre uma superfície de acoplamento (1a, 11a). O elemento de vedação (2) pode ser revestido sobre uma porção substancial, preferivelmente a totalidade da primeira e/ou segunda superfícies de acoplamento (1a, 1b) (cf. figura 2, fundo da placa deslizante (25) e figuras 3 e 5(a)). A espessura do revestimento não expandido pode ser da ordem de 0,1 a 3,0 mm, preferivelmente de 0,2 a 1,0 mm, mais preferivelmente de 0,3 a 0,6 mm. Alternativamente, o revestimento intumescente pode ser aplicado em uma ranhura circunscrevendo (pelo menos parcialmente) o furo (3a) como ilustrado na figura 5(b). A ranhura pode ter pelo menos 0,5 mm de profundidade, preferivelmente pelo menos 1,0 mm de profundidade, o mais preferivelmente, pelo menos 3,0 mm de profundidade, e é preferivelmente preenchido com material de vedação não expandido a pelo menos 50% da sua profundidade, preferivelmente pelo menos 75%. A ranhura pode também ser completamente preenchido com material de vedação rente com a superfície de acoplamento no seu estado não expandido[0039] The sealing element (2) may be in the form of a coating on a coupling surface (1a, 11a). The sealing element (2) can be coated over a substantial portion, preferably the entirety of the first and/or second coupling surfaces (1a, 1b) (cf. figure 2, bottom of the sliding plate (25) and figures 3 and 5 (The)). The thickness of the unexpanded coating may be in the order of 0.1 to 3.0 mm, preferably 0.2 to 1.0 mm, more preferably 0.3 to 0.6 mm. Alternatively, the intumescent coating can be applied to a groove circumscribing (at least partially) the hole (3a) as illustrated in figure 5(b). The groove may be at least 0.5 mm deep, preferably at least 1.0 mm deep, most preferably at least 3.0 mm deep, and is preferably filled with unexpanded sealing material to at least 50 % of its depth, preferably at least 75%. The groove may also be completely filled with sealing material flush with the mating surface in its unexpanded state.
[0040] Em uma forma de realização alternativa, o elemento de vedação (2) pode ser formado como uma gaxeta (cf. figura 2, topo da abertura deslizante (25), figuras 3 e 5(c)). Esta gaxeta pode ser posicionada em uma ranhura circunscrevendo (pelo menos parcialmente) o furo (3a) como ilustrado na figura 5(c).[0040] In an alternative embodiment, the sealing element (2) can be formed as a gasket (cf. figure 2, top of the sliding opening (25), figures 3 and 5(c)). This gasket can be positioned in a groove circumscribing (at least partially) the hole (3a) as illustrated in figure 5(c).
[0041] Para evitar um choque térmico, refratários são pré- aquecidos antes de serem montados e contatados com metal em fusão a altas temperaturas. Em alguns casos, o pré-aquecimento é realizado in situ, mas às vezes ele é realizado em um forno separado da instalação de lingotamento. Isso é chamado "pré-aquecimento fora de linha". Este é tipicamente o caso em dispositivos de troca de tubos (30), aqui um novo bocal de vazamento é pré- aquecido a uma temperatura de pré-aquecimento em um forno antes de seu carregamento no dispositivo e seu deslizamento para a posição de lingotamento a fim de impedir formação de trinca devido a um choque térmico muito grande. No pré-aquecimento fora de linha, há um risco de dilatação prematura do elemento de vedação (2) durante os estágios de pré- aquecimento e transferência, o que deve ser evitado. Isto pode ser conseguido muito simplesmente por pré-aquecimento do bocal de vazamento a uma temperatura abaixo da temperatura de dilatação inicial, Ti, ou pelo menos abaixo da temperatura, Tmax, de dilatação relativa máxima. Em uma forma de realização preferida, o material intumescente está na forma de flocos que são encapsulados em microcápsulas. As microcápsulas devem ser 'fechadas' durante o estágio de pré-aquecimento impedindo a dilatação do material intumescente e 'abertas' durante o lingotamento do metal para liberar a dilatação do elemento de vedação para obter sua função de alta vedação. A 'abertura' das microcápsulas pode ser disparada de vários modos. As microcápsulas podem ser feitas de um material que é sólido na temperatura de pré-aquecimento, e se funde, volatiliza, ou degrada na temperatura de lingotamento. O termo "degrada" pode incluir um potencial mecanismo de falha devido ao fato de que a força aplicada pela grafita expansível aumenta com a temperatura até um ponto que it é alto o bastante para romper as cápsulas. Alternativamente ou concomitantemente, as microcápsulas podem ser mecanicamente quebradas por tensões de cisalhamento geradas por deslizamento da superfície de acoplamento de um bocal de vazamento no dispositivo de troca de tubo. As microcápsulas são vantajosamente compostas de vidro líquido, sílica coloidal ou fosfato de alumínio, preferivelmente em combinação com um ou mais dentre argila, Na2CO3, CaCO3, MgCO3, NaHCO3, Ca(HCO3)2, ou Mg(HCO3)2, preferivelmente presente em uma quantidade na faixa de 0,5-80% em peso, mais preferivelmente 5-30%.[0041] To avoid thermal shock, refractories are preheated before being assembled and contacted with molten metal at high temperatures. In some cases, preheating is carried out in situ, but sometimes it is carried out in a furnace separate from the casting plant. This is called "off-line preheating." This is typically the case in tube changing devices (30), here a new casting nozzle is preheated to a preheat temperature in a furnace prior to its loading into the device and its sliding into the casting position at in order to prevent crack formation due to a very large thermal shock. When preheating off-line, there is a risk of premature expansion of the sealing element (2) during the preheating and transfer stages, which must be avoided. This can be achieved quite simply by preheating the pouring nozzle to a temperature below the initial expansion temperature, Ti, or at least below the temperature, Tmax, of maximum relative expansion. In a preferred embodiment, the intumescent material is in the form of flakes that are encapsulated in microcapsules. The microcapsules must be 'closed' during the preheating stage preventing the expansion of the intumescent material and 'open' during the casting of the metal to release the expansion of the sealing element to obtain its high sealing function. The 'opening' of microcapsules can be triggered in several ways. Microcapsules can be made from a material that is solid at the preheating temperature, and melts, volatilizes, or degrades at the casting temperature. The term "degrades" may include a potential failure mechanism due to the fact that the force applied by the expandable graphite increases with temperature to a point where it is high enough to rupture the capsules. Alternatively or concomitantly, the microcapsules can be mechanically broken by shear stresses generated by sliding the mating surface of a pouring nozzle on the tube changing device. The microcapsules are advantageously composed of liquid glass, colloidal silica or aluminum phosphate, preferably in combination with one or more of clay, Na2CO3, CaCO3, MgCO3, NaHCO3, Ca(HCO3)2, or Mg(HCO3)2, preferably present in an amount in the range of 0.5-80% by weight, more preferably 5-30%.
[0042] As microcápsulas podem consistir de diversas camadas, a composição acima constituindo uma camada de cápsula protetora, que pode ser aplicada sobre uma base previamente revestida sobre os flocos intumescentes, e/ou pode ser capeada por um revestimento de topo de acabamento. A base é vantajosa para acentuar a umectabilidade e adesão da camada de cápsula protetora à superfície dos flocos intumescentes, em particular em caso de materiais tendo baixas energias de superfície como grafita expansível. Por exemplo a base pode ser composta de uma mistura de resina fenólica e furfural em uma razão em peso compreendida entre 3:8 e 3:1, preferivelmente entre 1:1 e 3:2, dita base sendo aplicada diretamente sobre os flocos intumescentes. Um revestimento de topo de acabamento pode ajudar a estabilizar a camada protetora da cápsula contra ataque químico a partir da fase aquosa do revestimento final que é geralmente aplicada às peças de refratário, que tipicamente contém vidro líquido, sílica coloidal, fosfato de alumínio ou outros materiais. A camada de topo de acabamento pode compreender uma mistura de resina fenólica e furfural.[0042] The microcapsules may consist of several layers, the above composition constituting a protective capsule layer, which may be applied to a base previously coated over the intumescent flakes, and/or may be capped by a top finishing coating. The base is advantageous for enhancing the wettability and adhesion of the protective capsule layer to the surface of the swelling flakes, particularly in the case of materials having low surface energies such as expandable graphite. For example, the base may be composed of a mixture of phenolic resin and furfural in a weight ratio of between 3:8 and 3:1, preferably between 1:1 and 3:2, said base being applied directly to the swollen flakes. A topcoat can help stabilize the capsule's protective layer against chemical attack from the aqueous phase of the topcoat that is generally applied to refractory parts, which typically contain liquid glass, colloidal silica, aluminum phosphate, or other materials. . The top finishing layer may comprise a mixture of phenolic resin and furfural.
[0043] O revestimento de grafita pode consistir de uma ou mais camadas. Materiais de revestimento devem ser disponíveis em uma forma de dispersão ou solução, e aplicados aos flocos intumescentes em uma quantidade compreendida entre 1 e 50% em peso, preferivelmente 10-20% em peso da solução de revestimento com respeito ao peso dos flocos intumescentes, dependendo do tamanho e área de superfície dos flocos intumescentes. O revestimento deve ser capaz de secar ou curar em uma cápsula dura resistente impedindo que oxigênio incida sobre o material intumescente, e reduzindo assim sua tendência a esfoliar e expandir. A cápsula deve também exercer resistência mecânica suficiente para resistir ao processo de dilatação a temperaturas mais baixas. A dilatação do material intumescente é, portanto, impedida até que esta temperatura é alcançada para que a cápsula perca sua resistência. Uma segunda função das microcápsulas além de restringir mecanicamente a dilatação é reduzir o acesso de oxigênio às inter camadas da grafita. Isto reduz maciçamente a dilatação. Uma vez que as cápsulas são rompidas, então ar pode ingressar e a dilatação é muito maior e mais poderosa.[0043] The graphite coating may consist of one or more layers. Coating materials should be available in a dispersion or solution form, and applied to the swellable flakes in an amount comprised between 1 and 50% by weight, preferably 10-20% by weight of the coating solution with respect to the weight of the swellable flakes, depending on the size and surface area of the swelling flakes. The coating must be capable of drying or curing into a tough, hard capsule preventing oxygen from impinging on the intumescent material, thereby reducing its tendency to exfoliate and expand. The capsule must also exert sufficient mechanical strength to resist the expansion process at lower temperatures. Expansion of the intumescent material is therefore prevented until this temperature is reached for the capsule to lose its strength. A second function of microcapsules in addition to mechanically restricting expansion is to reduce oxygen access to the graphite interlayers. This massively reduces expansion. Once the capsules are ruptured, air can enter and the dilation is much greater and more powerful.
[0044] Um elemento de vedação (2) como discutido acima supra pode ser aplicado a vários elementos refratários (1, 11) de um conjunto de bocal (20, 30). Em particular, em um dispositivo de troca de tubo (30) montado sobre o pavimento de fundo de um recipiente (100, 200), este elemento de vedação pode ser aplicado à superfície de acoplamento de um bocal de vazamento (32) e/ou do bocal interno (31). Como ilustrado na figura 2, em um dispositivo de abertura deslizante (20) montado sobre o pavimento de fundo de uma panela (100) ou de um panela de fundição (200), do dispositivo de abertura deslizante e das placas deslizantes (25) desliza entre duas placas fixas, uma placa deslizante (25) compreendendo um furo e ensanduichada entre um bocal interno (21) e um bocal coletor (22) pode deslizar para colocar o furo em ou fora de alinhamento com o furo dos bocais interno e coletor (comparar figuras 2 (a) &(c) com figuras 2 (b) & (d)). Existem diversos tipos de dispositivos de abertura deslizante, os dois os mais correntes sendo esquematicamente ilustrados nas figuras 2(a) & (b) e 2(c) & (d). O bocal interno é incrustado no pavimento de um recipiente e acoplado a uma placa fixa de topo do dispositivo de abertura deslizante. Em uma primeira forma de realização ilustrada nas figuras 2(a) & (b) o bocal coletor é fixado à placa deslizante (25) e se move junto com ela à medida que ele desliza sobre a superfície de contato da placa fixa de topo. Em uma segunda forma de realização ilustrada na figura 2(c) & (d) o bocal coletor é acoplado a uma placa fixa de fundo. O elemento de vedação (2) pode ser aplicado às superfícies de acoplamento da placa fixa e/ou sobre uma ou ambas superfícies de uma placa deslizante (25), dependendo do tipo de dispositivo de abertura deslizante. Um revestimento de vedação (2) aplicado à superfície de acoplamento de topo da placa deslizante (25) é ilustrado na figura 2(c) & (d), e uma gaxeta de vedação (2) aplicada às superfícies de topo e de fundo da placa deslizante (25) é ilustrada nas figuras 2(a) & (b) e 2(c) & (d), respectivamente.[0044] A sealing element (2) as discussed above can be applied to several refractory elements (1, 11) of a nozzle assembly (20, 30). In particular, in a tube changing device (30) mounted on the bottom floor of a container (100, 200), this sealing element can be applied to the coupling surface of a pouring nozzle (32) and/or of the internal nozzle (31). As illustrated in Figure 2, in a sliding opening device (20) mounted on the bottom floor of a ladle (100) or a casting ladle (200), the sliding opening device and the sliding plates (25) slide between two fixed plates, a sliding plate (25) comprising a hole and sandwiched between an inner nozzle (21) and a collector nozzle (22) can slide to bring the hole into or out of alignment with the bore of the inner and collector nozzles ( compare figures 2 (a) &(c) with figures 2 (b) & (d)). There are several types of sliding opening devices, the two most common being schematically illustrated in figures 2(a) & (b) and 2(c) & (d). The internal nozzle is embedded in the floor of a container and coupled to a fixed top plate of the sliding opening device. In a first embodiment illustrated in figures 2(a) & (b) the collector nozzle is fixed to the sliding plate (25) and moves along with it as it slides over the contact surface of the fixed top plate. In a second embodiment illustrated in figure 2(c) & (d) the collection nozzle is coupled to a fixed bottom plate. The sealing element (2) can be applied to the mating surfaces of the fixed plate and/or on one or both surfaces of a sliding plate (25), depending on the type of sliding opening device. A sealing coating (2) applied to the top mating surface of the sliding plate (25) is illustrated in figure 2(c) & (d), and a sealing gasket (2) applied to the top and bottom surfaces of the sliding plate (25) is illustrated in figures 2(a) & (b) and 2(c) & (d), respectively.
[0045] Um elemento refratário (1) provido com um elemento de vedação intumescente (2) de acordo com a presente invenção pode ser processado sem alterar significantemente a produção normal destes elementos refratários tradicionais e só requer uma etapa de revestimento adicional de uma superfície de acoplamento de tais elementos refratários.[0045] A refractory element (1) provided with an intumescent sealing element (2) according to the present invention can be processed without significantly altering the normal production of these traditional refractory elements and only requires an additional coating step of a surface of coupling of such refractory elements.
[0046] Um elemento refratário (1) compreendendo de acordo com a presente invenção um elemento de vedação intumescente (2) circunscrevendo uma abertura de furo sobre uma primeira superfície de acoplamento (1a) pode ser usado como se segue. Ele pode opcionalmente ser pré-aquecido a uma temperatura de pré-aquecimento, tomando cuidado para não disparar a dilatação plena do elemento de vedação durante esta etapa opcional. A seguir, o elemento refratário (1) pode ser acoplado por translação por deslizamento da dita primeira superfície de acoplamento (1a) sobre uma segunda superfície de acoplamento (11a) compreendendo uma segunda abertura de furo de um segundo elemento refratário (11) do conjunto de bocal. A translação por deslizamento das superfícies de acoplamento (1a, 11a) coloca a primeira e a segunda aberturas de furo em e fora de alinhamento, para definir, quando em alinhamento, um furo transpassante contínuo a partir de uma entrada de metal em fusão (13a) para uma saída de metal em fusão (3b). Quando exposto à temperatura de lingotamento, o elemento de vedação (2) intumesce aplicando uma pressão às superfícies de acoplamento (1a, 11a) dos dois elementos refratários unidos (1, 11) e assim vedando eficientemente a junta. O lingotamento pode prosseguir com pouco ou nenhum risco de admissão de ar através da junta. A pressão gerada pelo intumescimento do elemento de vedação (2) é muito menor do que a pressão de sujeição aplicada para acoplar os dois elementos refratários (1, 11) entre si, e, portanto, não cria qualquer separação substancial dos dois elementos. O intumescimento do material de vedação assegura que qualquer folga na junta é apropriadamente preenchida vedando assim o furo de lingotamento (3) em relação ao ambiente.[0046] A refractory element (1) comprising according to the present invention an intumescent sealing element (2) circumscribing a hole opening on a first coupling surface (1a) can be used as follows. It can optionally be preheated to a preheating temperature, taking care not to trigger full expansion of the sealing element during this optional step. Thereafter, the refractory element (1) may be coupled by sliding translation of said first coupling surface (1a) onto a second coupling surface (11a) comprising a second hole opening of a second refractory element (11) of the assembly. nozzle. Sliding translation of the mating surfaces (1a, 11a) places the first and second hole openings in and out of alignment, to define, when in alignment, a continuous through hole from a molten metal inlet (13a ) to a molten metal outlet (3b). When exposed to the casting temperature, the sealing element (2) swells, applying pressure to the coupling surfaces (1a, 11a) of the two joined refractory elements (1, 11) and thus efficiently sealing the joint. Casting can proceed with little or no risk of air being admitted through the joint. The pressure generated by the swelling of the sealing element (2) is much lower than the holding pressure applied to couple the two refractory elements (1, 11) together, and therefore does not create any substantial separation of the two elements. The swelling of the sealing material ensures that any gap in the joint is appropriately filled, thus sealing the casting hole (3) against the environment.
[0047] Como mencionado acima, a dilatação do material intumescente deve ser contida durante o estágio de pré-aquecimento, se houver, para impedi-lo de alcançar sua dilatação plena antes de ser acoplado a um segundo elemento refratário em um conjunto de bocal. Isto pode ser obtido: - mantendo a temperatura de pré-aquecimento abaixo da temperatura, Tmax, de dilatação máxima do material intumescente, preferivelmente abaixo da temperatura de dilatação inicial, Ti, ou - encapsulando o material intumescente em cápsulas que são quimicamente e/ou mecanicamente e/ou termicamente danificadas (i) por deslizamento do primeiro elemento refratário para a posição de lingotamento no conjunto de bocal e/ou (ii) por lingotamento do metal em fusão.[0047] As mentioned above, the expansion of the intumescent material must be contained during the preheating stage, if any, to prevent it from reaching its full expansion before being coupled to a second refractory element in a nozzle assembly. This can be achieved by: - maintaining the preheating temperature below the temperature, Tmax, of maximum expansion of the intumescent material, preferably below the initial expansion temperature, Ti, or - encapsulating the intumescent material in capsules that are chemically and/or mechanically and/or thermally damaged (i) by sliding the first refractory element into the casting position in the nozzle assembly and/or (ii) by casting the molten metal.
[0048] A tabela 1 dá cinco composições de membros de vedação apropriados para a presente invenção (EX1 -5) e um exemplo comparativo (CEX6). Nos exemplos, a grafita expansível é obtida intercalando sulfato entre camadas de grafeno, às vezes chamado 'bissulfato de grafita' A vermiculita é um pó de 100 mesh de composição 37-42% SiO2, 9-17% Al2O3, 11-23% MgO, 5-18% CaO.[0048] Table 1 gives five sealing member compositions suitable for the present invention (EX1 -5) and a comparative example (CEX6). In the examples, expandable graphite is obtained by sandwiching sulfate between layers of graphene, sometimes called 'graphite bisulfate'. Vermiculite is a 100 mesh powder of composition 37-42% SiO2, 9-17% Al2O3, 11-23% MgO , 5-18% CaO.
[0049] As propriedades térmicas do elemento de vedação podem ser moduladas de acordo com as exigências. Por exemplo, enquanto a composição de EX5 é plenamente expandida a 450°C, aquela do EX4 expande apenas a 650°C. Depois de testes em escala real em um dispositivo de troca de tubo de uma linha de produção de lingotamento de aço, o exame SEM-EDX de um bocal de vazamento cuja superfície de acoplamento foi revestida com um elemento de vedação de composição EX1 substancialmente não descreveu nenhuma erosão, com muito poucos poros sobre a área de superfície, comparável com a porosidade medida no seio da placa. Em contraste, testes similares realizados sobre placas refratárias não revestidas, e sobre placas revestidas com uma composição CEX6 descrevem erosão substancial com um aumento da porosidade de superfície comparada com a porosidade no seio, assim como a formação de uma camada de reação espessa formada sobre a área erodida, por material de revestimento oxidado do CEX6. Traços de MnO e outros óxidos foram detectados na superfície da placa, perto do furo, reagindo localmente e formando com o refratário, um material com temperatura de fusão mais baixa que era progressivamente descartado pelo metal em escoamento. Em vista da excelente estabilidade da placa de bocal revestida com a composição de vedação do EX1 de acordo com a presente invenção, fica claro que a presença de um material intumescente substancialmente realça a estanqueidade da junta da presente invenção, prolongando assim a vida em serviço dos elementos refratários e realçando a qualidade do metal lingotado.[0049] The thermal properties of the sealing element can be modulated according to requirements. For example, while the composition of EX5 is fully expanded at 450°C, that of EX4 only expands at 650°C. After full-scale testing on a tube changing device of a steel casting production line, SEM-EDX examination of a casting nozzle whose mating surface was coated with a sealing element of composition EX1 substantially did not describe no erosion, with very few pores over the surface area, comparable to the porosity measured within the plate. In contrast, similar tests performed on uncoated refractory plates, and on plates coated with a CEX6 composition describe substantial erosion with an increase in surface porosity compared to the porosity in the core, as well as the formation of a thick reaction layer formed over the surface. eroded area, by oxidized CEX6 coating material. Traces of MnO and other oxides were detected on the surface of the plate, close to the hole, reacting locally and forming, with the refractory, a material with a lower melting temperature that was progressively discarded by the flowing metal. In view of the excellent stability of the nozzle plate coated with the EX1 sealing composition according to the present invention, it is clear that the presence of an intumescent material substantially enhances the tightness of the gasket of the present invention, thereby prolonging the service life of the refractory elements and enhancing the quality of the cast metal.
[0050] Testes de queima realizados a 1000°C em ar sugeriam que na ausência de um aglutinante resistente, tanto a vermiculita (cf. EX2) quanto a grafita expansível tendiam a oxidar intensamente e a perder integridade. A adição de um aglutinante, tal como vidro líquido às partículas de vermiculita e grafita expansível melhorava sua resistência à oxidação e a integridade dos revestimentos (cf. EX1, 3-5). TABELA 1: COMPOSIÇÃO DE MEMBROS DE VEDAÇÃO DE ACORDO COM A PRESENTE INVENÇÃO (EX1 -5) E TÉCNICA ANTERIOR (CEX6). % p (em peso) medida com respeito a peso de sólidos. Água deionizada é adicionada acima de 100% em peso de sólidos.[0050] Burning tests carried out at 1000°C in air suggested that in the absence of a resistant binder, both vermiculite (cf. EX2) and expandable graphite tended to oxidize intensely and lose integrity. The addition of a binder such as liquid glass to the vermiculite and expandable graphite particles improved their oxidation resistance and the integrity of the coatings (cf. EX1, 3-5). TABLE 1: COMPOSITION OF SEALING MEMBERS ACCORDING TO THE PRESENT INVENTION (EX1 -5) AND PRIOR TECHNIQUE (CEX6). % w (by weight) measured with respect to the weight of solids. Deionized water is added above 100% by weight solids.
[0051] A presente invenção constitui um avanço em equipamento de lingotamento de metal, uma vez que o elemento de vedação intumescente (2) aplicado a uma superfície de acoplamento (1a) de um elemento refratário (1) aumenta substancialmente o tempo de serviço deste elemento, e assegura um metal de melhor qualidade, com poucas inclusões de óxido formada por reação com ar infiltrado, e com poucos resíduos nos bocais devido a erosão de materiais refratários debilitados do que jamais obtido até o presente.[0051] The present invention constitutes an advancement in metal casting equipment, since the intumescent sealing element (2) applied to a coupling surface (1a) of a refractory element (1) substantially increases the service time of this element, and ensures a better quality metal, with fewer oxide inclusions formed by reaction with infiltrated air, and with little residue in the nozzles due to erosion of weakened refractory materials than has ever been achieved to date.
Claims (10)
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP20110193966 EP2604363A1 (en) | 2011-12-16 | 2011-12-16 | intumescent sealing for metal casting apparatus |
| EP11193966.6 | 2011-12-16 | ||
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Publications (3)
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