CN104185520B - 包括以滑动平移关系彼此接合的第一和第二元件以及由热膨胀材料制成的密封部件、耐火元件的喷嘴组件、生产耐火元件的方法、接合两个耐火元件的方法 - Google Patents

包括以滑动平移关系彼此接合的第一和第二元件以及由热膨胀材料制成的密封部件、耐火元件的喷嘴组件、生产耐火元件的方法、接合两个耐火元件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及喷嘴组件(20,30)，其用于选自滑动闸门和管更换装置的金属铸造设备，所述喷嘴组件包括：具有包括第一孔口的第一接合表面(1a)的第一耐火元件(1)和具有包括第二孔口的第二接合表面(11a)的第二耐火元件(11)，第一和第二元件通过它们各自的第一和第二接合表面以滑动平移关系彼此接合，使得第一和第二孔口可以呈对准和不对准状态，以在对准时限定出用于将熔融金属从所述喷嘴组件的熔融金属入口(13a)排出到熔融金属出口(3b)的连续孔(3,13)，密封部件(2)，设置在第一和第二元件的第一与第二接合表面之间，其特征在于，密封部件(2)包含热膨胀材料。

Description

包括以滑动平移关系彼此接合的第一和第二元件以及由热膨 胀材料制成的密封部件、耐火元件的喷嘴组件、生产耐火元件 的方法、接合两个耐火元件的方法
技术领域
本发明一般地涉及连续金属铸造生产线。特别地，本发明涉及密封件，其特别适用于密封金属铸造生产线中喷嘴组件的元件之间的界面，这些元件以平移滑动关系接合，如滑动闸门装置中的闸门板或适合于与管更换装置一起使用的喷嘴单元。
发明背景
在金属成形工艺中，熔融金属从一个冶金容器转移到另一个冶金容器中、转移到模具中或转移到工具中。例如，如图1中所示，钢水包(100)填充有来自熔炉的并被转移到中间包(200)的金属熔化物(110)。然后熔融金属可以从中间包到连续铸造模中铸造，用于形成板坯、大钢坯、小钢坯或其它类型的连续铸造产品，或者在铸造模具中形成为钢锭或其它不连续限定的形状。从冶金容器出来的金属熔化物流由重力驱动通过位于此类容器底部的各种喷嘴组件(20,30)。
一些此类的喷嘴组件包括可相对于彼此移动的元件。例如，钢水包(100)在其底部底板(100a)设有如图2中所示的滑动闸门装置(20)，其将埋入钢水包底板的耐火涂层中的内喷嘴(21)接合至延伸到钢水包外部的收集器喷嘴(22)。包括通孔的闸门板(25)夹在内喷嘴与收集器喷嘴之间，并且能够在两者之间线性地滑动，以使其通孔与内外喷嘴的通孔呈对准或不对准状态。
另一个例子是管更换装置(30)，其安装在中间包(200)的底部底板处，用于将容纳在中间包中的熔融金属排出到模具或工具里。其包括埋入中间包底板的耐火涂层中的内喷嘴(31)和延伸到中间包外部的浇注喷嘴(32)。因为此类浇注喷嘴的使用期限通常比完整的铸造操作要短，所以通常使用管更换装置，使得能够在不中断铸造操作的情况下更换浇注喷嘴(32)，方式是通过沿适当的导引装置滑动新的浇注喷嘴以推出并换掉旧的浇注喷嘴，如图3和4中所示。
在金属铸造设施中，接合元件之间的完全不透空气性是头等重要的，因为一方面来说，大多数熔融金属在这样高的温度下与空气接触时迅速氧化，而另一方面，因为通过喷嘴孔的流动，在任何不紧密的界面处通过文丘里效应产生空气抽吸。这一问题对于在操作期间可移动然而必须保持其充分气密性的元件来说是特别敏感的。
为防止空气吸入喷嘴组件的元件之间的界面处的间隙，通过诸如弹簧的夹紧装置将两个元件彼此接合，施加强力以将两个元件的接触面彼此压靠。这种解决方案有其局限性，因为过高的夹紧力将会累及两个元件相对于彼此的滑动，并且在界面处有小缺陷(如一些局部粗糙)的情况下效率不高。往往是使用气体覆盖层，方式是通过在界面处或邻近界面设置的通道注射诸如氩或氮的气体。然而这种解决方案消耗大量的气体，并且不会完全防止空气吸入。滑动接触的表面往往涂有润滑剂的层，如石墨，其埋入诸如水玻璃的粘结剂和诸如粘土(像斑脱土等)的添加剂中。此类润滑层在一定程度上充当两个耐火表面之间的界面的密封件，但喷嘴组件周围的环境条件如此极端，局部有非常高的温度和高热梯度，使得密封效果通常不足以确保组件完全不透空气。
本发明提出确保喷嘴组件的两个耐火表面(即使当它们以滑动平移关系彼此接合时)之间的界面不透空气的解决方案。本解决方案不需要对接合表面进行任何精细加工。
发明内容
本发明由所附的独立权利要求限定。从属权利要求限定优选的实施方案。特别地，本发明涉及用于选自滑动闸门和管更换装置的金属铸造设备的喷嘴组件，所述喷嘴组件包括：
-第一耐火元件，其具有包括第一孔口的第一接合表面，和
-第二耐火元件，其具有包括第二孔口的第二接合表面，第一和第二元件通过它们各自的第一和第二接合表面以滑动平移关系彼此接合，使得第一和第二孔口可以呈对准和不对准状态，以在对准时限定出用于将熔融金属从所述喷嘴组件的熔融金属入口排出到熔融金属出口的连续孔，
-密封部件，其设置在第一和第二元件的第一与第二接合表面之间，
其特征在于，密封部件包含热膨胀材料。
在本发明的上下文中，“喷嘴组件”被定义为包括至少一个喷嘴的任何组件，所述喷嘴包括允许对从容器中出来的熔融金属进行铸造的孔。
根据本发明的喷嘴组件的膨胀密封部件优选具有：
-至少130℃、优选至少400℃、更优选至少600℃的初始膨胀温度Ti，和/或
-在介于Ti与1400℃之间的最大膨胀时的温度T最大下相对于其在20℃下测定的体积的最大相对膨胀V最大/V20，其为至少10，优选为至少25，更优选为至少50，最优选为至少80。
“热膨胀材料”是由于暴露于热而膨胀、从而体积增大并且密度减小的物质。膨胀材料的膨胀通常是由所述材料的至少一种组分的相转变引起的，并且明显地区别于正常的热膨胀，后者通常随温度而线性地增加，DV＝a DT，其中a是热膨胀的系数。适合于本发明的膨胀材料可由层状材料组成，所述层状材料通过在层之间插入其它材料而被改性，以在暴露于热时引起膨胀，如：
-可膨胀石墨、粘土、云母或珠光体，其包含插在相邻结晶层之间的以下物质中的一种或多种：硫酸、硝酸、磷酸、诸如醋酸或酚酸的有机酸以及它们的盐、氯气和溴气；插有含硫或磷的化合物的可膨胀石墨是优选的；
-蛭石，优选形状为蛭石和黑云母的间层化层，
在本发明的一个实施方案中，膨胀密封部件为涂层，其未膨胀厚度优选介于0.1mm与3.0mm之间，更优选介于0.2mm与1.0mm之间，最优选介于0.3mm与0.6mm之间。所述涂层可任选由最终密封层覆盖，比如标准的石墨混合物。因此可以将密封部件涂布在第一和/或第二接合表面的主部优选全部接合表面上。作为另外的选择，可以将密封部件施加到第一和/或第二接合表面上的沟槽里，分别至少部分地围绕第一和/或第二孔口。沟槽优选至少0.5mm深，更优选至少1.0mm深，最优选至少3.0mm深。
在替代的实施方案中，密封部件的形式可以是垫圈，优选嵌塞在第一和/或第二接合表面上的沟槽中，分别至少部分地围绕第一和/或第二孔口。
密封部件可包含：
-5-95重量％的膨胀材料，包括可膨胀石墨和/或蛭石；
-5-95重量％的粘结剂，如水玻璃，优选与粘土、Na2CO3、CaCO3、MgCO3、NaHCO3、Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2中的一种或多种掺和；
-0-80重量％的润滑剂，如不可膨胀石墨；
-0-20重量％的抗氧化剂，如铝、硅或钼，
其中重量％是按固体干重相对于密封部件组合物的总干重测量的。
在优选的实施方案中，膨胀材料被包封在微壳体中，所述微壳体在暴露于给定的温度或机械应力(如将一个接合表面在另一个接合表面之上滑动时的剪切力)时能够流动、挥发或降解。此类微壳体有利的是由水玻璃、胶态二氧化硅或磷酸铝组成，优选地与粘土、Na2CO3、CaCO3、MgCO3、NaHCO3、Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)2中的一种或多种组合，优选以0.5-80重量％、更优选5-30％范围内的量存在。这种保护性壳体层可以：
-被施加到底涂料上面，所述底涂料优选由酚醛树脂和糠醛的重量比介于3:8与3:1之间、优选介于1:1与3:2之间的混合物组成，所述底涂料被直接施加到膨胀薄片上面；和/或
-由末道表层覆盖，所述末道表层优选包含酚醛树脂和糠醛的混合物。
这种实施方案特别适合于可更换的浇注喷嘴，因为它们在安装到管更换装置上面之前往往被预热。实际上，包封确保了膨胀材料仅在第一接合表面被安装在喷嘴组件中并经滑动暴露于剪切应力和/或当处于铸造位置时暴露于高温的时候才开始膨胀。
本发明还涉及用于金属铸造设备的喷嘴组件的耐火元件，所述耐火元件包括在第一基本上为平面的接合表面处的第一通孔开口，所述第一基本上为平面的接合表面适合于以滑动平移关系与第二耐火元件的第二接合表面相接合，其特征在于，所述耐火元件的第一接合表面设有包含热膨胀材料的密封部件。密封部件和膨胀材料优选如上文所讨论的那样。本发明的耐火元件优选为以下之一：
-浇注喷嘴，其适合于被装配到管更换装置中和从管更换装置上卸下；
-内喷嘴，其要被安装在容器的底部底板中并固定于管更换装置；
-在安装于钢水包或中间包下面的滑动闸门装置中的滑动板；
-与安装于钢水包或中间包下面的滑动闸门装置中的滑动板(25)处于滑动接触的固定板。
本发明还涉及生产如上文所讨论的耐火元件的方法，包括以下步骤：
(a)提供在第一接合表面处包括第一通孔(3)开口的耐火元件，所述第一接合表面适合于以滑动平移关系与第二耐火元件的第二接合表面相接合；
(b)将密封部件施加到第一接合表面上面，如以优选地围绕孔口，
其特征在于，密封部件包含热膨胀材料。
可以将密封部件施加到第一接合表面上作为：
-覆盖第一接合表面的全部或仅一部分的涂层，方式是通过刷涂、喷涂、使用橡皮滚或使用辊、印刷(如丝网印刷或凹版印刷)；
-通过注射、用橡皮滚轴压、铸造而填充设置在第一接合表面上的沟槽并围绕通孔的口的涂层；或
-装配到设置在第一接合表面上的沟槽里并优选围绕通孔的口的预成形垫圈。
一旦已经通过前述方法生产出包括围绕第一接合表面上的孔口的膨胀密封部件的耐火元件，则可以将其：通过使所述第一接合表面在第二接合表面之上滑动平移而接合，所述第二接合表面包括喷嘴组件的第二耐火元件的第二孔口，使得密封部件接触第一和第二接合表面两者，并使第一和第二孔口呈对准和不对准状态，以在对准时限定出从熔融金属入口到熔融金属出口的连续通孔；然后可以将如此接合的第一和第二耐火元件
-加热到至少足以使密封部件的膨胀材料发生膨胀的温度。
届时可以进行熔融金属通过喷嘴组件的铸造，空气通过第一和第二耐火元件之间的接合处吸入的危险很小。
到达足以使膨胀材料发生膨胀的温度的加热步骤可依靠被传递到膨胀材料的熔融金属的热量，或者必须具备别的热源，如燃烧器或其它热源。
将第一耐火元件和密封部件接合于第二耐火元件之前在预加热温度下对其进行预加热的情况下，应当防止膨胀材料在被安装到相应喷嘴组件里之前达到其最大膨胀。这可以通过如下方式实现：
-保持预加热温度低于膨胀材料的最大膨胀时的温度T最大，并且优选低于初始膨胀温度Ti，或者
-将膨胀材料包封到在将第一耐火元件滑动到铸造位置进入喷嘴组件时和/或(ii)在铸造熔融金属时以化学和/或机械和/或热的方式被破坏的壳体里。
附图说明
附图中示出本发明的各种实施方案：
图1：示意性地显示典型的连续铸造生产线。
图2：显示根据本发明的滑动闸门装置的第一(a)及(b)和第二(C)及(d)实施方案的侧剖视图。
图3：显示根据本发明的管更换装置的切断透视图。
图4：显示根据本发明的替代管更换装置的切断透视图。
图5：显示根据本发明包括密封部件的接合表面的各种实施方案的侧视图。
具体实施方式
本发明以简单和可靠的方式解决防止空气借助于文丘里效应通过两个耐火元件之间的界面被吸入流过喷嘴组件的熔融金属的问题。本发明特别有利于密封以滑动平移关系接合的两个耐火表面(如在示于图2至4中的滑动闸门或管更换装置中)之间的界面。当两个耐火元件静态接合时，将两个部件之间的接合处密封是比较容易的，尽管还有些挑战性。当两个元件动态接合时，密封两者之间的接合处的挑战性大幅度增加。本发明应对这种挑战性。
当要以平移滑动关系接合两个耐火元件时，如图3和4中所示安装在中间包底部的管更换装置(30)中的可更换浇注喷嘴(32)或如图2中所示在滑动闸门装置(20)中的滑动闸门(25)的情况，要确保两个耐火元件的接合表面(1a,11a)之间的完全密闭性是极其困难的。实际上，施加到动态接合元件上的夹紧力不可能像在静态接合元件之间的那样高，以免两个接合表面之间的滑动受到阻碍，这样会增加在两个元件之间产生间隙的危险。一个接合表面在另一个接合表面之上滑动可在接合处产生划痕，这可能会很容易地变成空气的泄漏通道。最后，对于两个元件之间的接合处来说，要在所述接合处的周边有珠粒流动的情况下将其密封是不可能的，因为在使一个元件相对于另一个元件移动时珠粒会破裂。本发明通过在两个耐火元件的第一与第二接合表面之间设置包含热膨胀材料的密封部件(2)而以非常简单、低成本和有效的方式解决这一长期以来已知但从未被满意地解决的问题。严格来说，术语“热”是多余的，因为膨胀材料被定义为在暴露于热时膨胀的材料，但我们认为有必要对术语“热”进行明确说明以避免将术语“膨胀的”任意(不合理)地延伸到由其它来源引起的膨胀，如暴露于水，这种情况在熔融金属铸造喷嘴组件中是不可接受的。
具有不同性质的膨胀材料种类繁多。它们广泛用于防火应用中。在此类应用中，水通过在暴露于由火产生的热时的水合作用而吸热释放，利用这一点来维持结构的温度低，并且由这种材料产生的炭通常是不良的导热体。它们通常应用于防火门、窗和管件。对于本发明来说，膨胀材料的重要特征是它们的膨胀特性。特别适合于本发明的膨胀密封部件(2)应优选具有至少130℃的初始膨胀温度Ti，优选为至少400℃，更优选为至少600℃。在介于Ti与1400℃之间的最大膨胀时的温度T最大下相对于其在20℃下测定的体积的最大相对膨胀V最大/V20应优选为至少10，优选为至少25，更优选为至少50，最优选为至少80。
膨胀材料通常由层状主材料组成，所述层状主材料通过在相邻层之间插入其它材料而改性。在加热时，插在层间的材料发生相变，通常变成气体，因此体积大增，并产生强大的压力推开主材料的相邻层。这种突然并且有时是相当大的膨胀被称为膨胀(intumescence)或脱落。给定主材料的膨胀幅度取决于许多参数。首先，插入材料的性质影响膨胀幅度和发生膨胀时的温度。对于给定的膨胀材料，主材料颗粒的尺寸也可影响材料的膨胀比例。膨胀材料的加热速率也可影响其对热的响应，与高加热速率相比，缓慢的加热速率减少膨胀。最后，包封膨胀材料也可延缓材料的膨胀。
适合用于根据本发明的喷嘴组件的密封部件(2)的膨胀材料的例子包括以下之一或以下的混合物：
-可膨胀石墨、粘土、云母或珠光体，其包含一种或多种酸及其盐，如硫酸、硝酸、磷酸、诸如醋酸或酚酸的有机酸，以及卤素、碱金属、氯化铝、氯化铁、其它金属卤化物、硫化砷、硫化铊、氯气和溴气，它们插在相邻的结晶石墨烯层之间；
-蛭石，优选形状为例如US5340643中所公开的蛭石和黑云母的间层化层，该专利的公开内容以引用的方式并入本文；
这些材料当中，可膨胀石墨是优选的。
密封材料包含至少一种膨胀材料，优选的量介于5重量％与95重量％之间。优选使用其它材料：
-可使用粘结剂将膨胀颗粒粘结在一起或用于包封此类颗粒。合适的粘结剂的例子是水玻璃，优选与粘土、Na2CO3、CaCO3、MgCO3、NaHCO3、Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2中的一种或多种掺和。粘结剂的存在量优选为5-95重量％。
-润滑剂特别适用于促进一接合表面在另一接合表面之上的滑动。适合于本发明的润滑剂的例子是(不可膨胀)石墨。优选其存在量介于0与80重量％之间，优选介于10重量％与50重量％之间，更优选介于15重量％与40重量％之间，最优选介于20重量％与35重量％之间。
-使用抗氧化剂保护暴露于极端热条件的密封材料。抗氧化剂的例子是铝，其可以0-20重量％、优选介于2重量％与10重量％之间的量存在。
重量％是按固体干重相对于密封部件组合物的总干重测量的。
密封部件(2)的形式可以是接合表面(1a,11a)上的涂层。可以将密封部件(2)涂布在第一和/或第二接合表面(1a,1b)的主部优选全部接合表面上(参见图2，滑动板(25)的底部以及图3和5(a))。未膨胀涂层的厚度可以为0.1至3.0mm的量级，优选为0.2至1.0mm，更优选为0.3至0.6mm。作为另外的选择，可以将膨胀涂层施加到沟槽里，(至少部分地)围绕孔(3a)，如图5(b)中所示。沟槽可以为至少0.5mm深，优选为至少1.0mm深，最优选为至少3.0mm深，并且优选用未膨胀的密封材料填充到其深度的至少50％、优选至少75％。也可以用在其未膨胀状态时与接合表面齐平的密封材料完全填充沟槽。
在替代实施方案中，可以将密封部件(2)形成为垫圈(参见图2，滑动闸门(25)的顶部，图3和5(c))。可以将这种垫圈安置在沟槽里，(至少部分地)围绕孔(3a)，如图5(c)中所示。
为避免热冲击，在将耐火物安装并在高温下与熔融金属接触之前对其进行预加热。在一些情况下，原位进行预加热，但有时在与铸造设施分开的炉中进行预加热。这被称为“离线预加热”。这就是通常在管更换装置(30)中的情况，其中在将新的浇注喷嘴装配到装置里并将其滑入铸造位置之前在炉中将其预加热到预加热温度，以便防止由于过高的热冲击而形成裂缝。在离线预加热中，存在着在预加热及转移阶段期间密封部件(2)早期膨胀的危险，这是应该避免的。可以非常简单地通过将浇注喷嘴预加热到低于初始膨胀温度Ti或至少低于最大相对膨胀温度T最大的温度而做到这一点。在优选的实施方案中，膨胀材料的形式为包封在微壳体中的薄片。微壳体在预加热阶段期间应“封闭”，阻止膨胀材料的膨胀，并且在金属的铸造期间“破开”以释放密封部件的膨胀，从而实现其高密封功能。可以按各种方式来触发微壳体的“破开”。微壳体可由在预加热温度下为固体而在铸造温度下熔化、挥发或降解的材料制成。术语“降解”可包括因为由可膨胀石墨施加的力随温度而增大到足以使壳体破裂那样大的程度所致的潜在破损机制。作为另外的选择或同时，可以通过在将浇注喷嘴的接合表面滑入管更换装置时产生的剪切应力来机械地破裂微壳体。微壳体有利的是由水玻璃、胶态二氧化硅或磷酸铝组成，优选与粘土、Na2CO3、CaCO3、MgCO3、NaHCO3、Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)2中的一种或多种组合，它们优选以0.5-80重量％、更优选5-30％范围内的量存在。
微壳体可由若干层构成，前述成分构成保护性壳体层，其可以被施加到先前涂布在膨胀薄片上面的底涂料上面，和/或可以由末道表涂层覆盖。底涂料有利的是用于增强润湿性和保护性壳体层对膨胀薄片表面的粘附性，特别是在像可膨胀石墨之类的具有低表面能的材料的情况下。例如底涂料可由重量比介于3:8与3:1之间、优选介于1:1与3:2之间的酚醛树脂和糠醛的混合物组成，所述底涂料被直接施加到膨胀薄片上面。末道表涂层可有助于稳定壳体保护层抵抗来自通常施加到耐火件上的最终涂料的含水相的化学侵蚀，所述最终涂料通常含有水玻璃、胶态二氧化硅、磷酸铝或其它材料。末道表层可包含酚醛树脂和糠醛的混合物。
石墨涂层可由一层或多层构成。涂布材料应当可以分散体或溶液的形式获得，并且将其以相对于膨胀薄片的重量而言介于1重量％与50重量％之间、优选为10-20重量％的涂布溶液的量施加到膨胀薄片上，这取决于膨胀薄片的尺寸和表面面积。涂层应能够干燥或硬化成防止氧在膨胀材料上撞击的强硬壳体，从而降低其脱落和膨胀的倾向。壳体还应当能施加足以抵抗较低温度下的膨胀过程的机械强度。因此防止了膨胀材料的膨胀，直至达到壳体失去其强度的温度。除了机械地抑制膨胀外，微壳体的第二个功能是减少氧进入石墨层间的机会。这可大幅度地减少膨胀。一旦壳体破裂，则空气可进入，且膨胀大得多并且强得多。
可以将上文讨论的密封部件(2)施加到喷嘴组件(20,30)的各耐火元件(1,11)上。特别地，在安装于容器(100,200)的底部底板上的管更换装置(30)中，可以将这种密封部件施加到浇注喷嘴(32)的接合表面和/或内喷嘴(31)的接合表面上。如图2中所示，在安装于钢水包(100)的底部底板或中间包(200)的底部底板上的滑动闸门装置(20)中，滑动闸门装置和滑动板(25)在两个固定板之间滑动，包括孔并夹在内喷嘴(21)与收集器喷嘴(22)之间的滑动板(25)可滑动以使所述孔与内喷嘴和收集器喷嘴的孔呈对准或不对准状态(比较图2(a)和(c)与图2(b)和(d))。有若干类型的滑动闸门装置，两种最流行的滑动闸门装置示意性地示于图2(a)和(b)以及2(c)和(d)。内喷嘴被埋入容器的底板中并接合于滑动闸门装置的顶部固定板。在图2(a)和(b)所示的第一实施方案中，收集器喷嘴被固定于滑动板(25)并且在其于顶部固定板的接触面之上滑动时与其一起移动。在图2(c)和(d)所示的第二实施方案中，收集器喷嘴接合于底部固定板。可以将密封部件(2)施加到固定板的接合表面和/或施加在滑动板(25)的一个或两个表面上，这取决于滑动闸门装置的类型。施加到滑动板(25)的顶部接合表面上的密封涂层(2)示于图2(c)和(d)，施加到滑动板(25)的顶表面和底表面上的密封垫圈(2)分别示于图2(a)和(b)以及2(c)和(d)。
可加工设有根据本发明的膨胀密封部件(2)的耐火元件(1)而不显著改变此类传统耐火元件的正常生产方式，并且仅需要此类耐火元件的接合表面的附加涂布步骤。
可如下使用根据本发明包括围绕第一接合表面(1a)上的孔口的膨胀密封部件(2)的耐火元件(1)。可任选将其预加热到预加热温度，在此任选步骤期间注意不要触发密封部件的完全膨胀。接下来可以通过将所述第一接合表面(1a)在第二接合表面(11a)之上滑动平移而接合耐火元件(1)，所述第二接合表面(11a)包括喷嘴组件的第二耐火元件(11)的第二孔口。接合表面(1a,11a)的滑动平移使第一和第二孔口呈对准和不对准状态，以在对准时限定出从熔融金属入口(13a)到熔融金属出口(3b)的连续通孔。当暴露于铸造温度时，密封部件(2)膨胀，对两个连接的耐火元件(1,11)的接合表面(1a,11a)施加压力，并因此有效地密封接合处。铸造可以在很少乃至没有空气通过接合处吸入的危险的情况下进行。通过密封部件(2)的膨胀产生的压力比用以将两个耐火元件(1,11)接合在一起所施加的夹紧压力小得多，因此不会使两个元件产生任何实质性分离。密封材料的膨胀确保了在接合处的任何间隙被适当地填充，从而将铸造孔(3)与周围环境隔离密封。
如上文所提到的那样，在预加热阶段(如果有的话)期间应控制住膨胀材料的膨胀以防止其在被接合于喷嘴组件中的第二耐火元件之前完全膨胀。可以通过以下方式做到这一点：
-保持预加热温度低于膨胀材料的最大膨胀温度T最大，优选低于初始膨胀温度Ti，或者
-将膨胀材料包封到(i)在将第一耐火元件滑动到铸造位置进入喷嘴组件时和/或(ii)在铸造熔融金属时以化学和/或机械和/或热的方式被破坏的壳体里。
表1给出适合于本发明的密封部件的五种组合物(实施例1-5)和一个比较例(比较例6)。在实施例中，通过在石墨烯层之间插入硫酸盐而得到可膨胀石墨，有时称为“石墨硫酸氢盐”。蛭石是组合物为37-42％Si02、9-17％Al203、11-23％MgO、5-18％CaO的100目粉末。
可根据要求调节密封部件的热性能。例如，虽然实施例5的组合物在450℃下完全膨胀，但实施例4的组合物仅在650℃下膨胀。在钢铸造生产线的管更换装置中进行实际规模测试后，对接合表面涂有实施例1组合物的密封部件的浇注喷嘴进行的SEM-EDX检查表明基本上没有腐蚀，表面区域上的孔非常少，与在板的本体中测得的孔隙度相当。相比之下，在没有涂层的耐火板上和在涂有比较例6组合物的板上进行的类似测试表明有相当多的腐蚀，与本体孔隙度相比而言表面孔隙度增大，以及形成了厚的反应层，其是通过氧化的比较例6涂层材料形成在被腐蚀的区域上。在板表面靠近孔之处检测到微量的MnO及其它氧化物，其与耐火物局部反应并形成较低熔化温度的材料，这种材料被流动的金属逐渐冲走。鉴于涂有根据本发明的实施例1密封组合物的喷嘴板具有优异的稳定性，很显然膨胀材料的存在大幅度地增强了本发明的接合处的密闭性，从而延长了耐火元件的使用寿命并提高了铸造金属的质量。
在1000℃空气中进行的焙烧测试表明，在没有强粘结剂的情况下，蛭石(参见实施例2)和可膨胀石墨倾向于发生强氧化并失去完整性。向可膨胀蛭石和石墨颗粒中添加诸如水玻璃的粘结剂提高了它们的抗氧化性和涂层的完整性(参见实施例1、3-5)。
表1：根据本发明(实施例1-5)和现有技术(比较例6)的密封部件的组合物。
重量％是相对于固体重量测量的。去离子水加在100+/-1重量％固体的顶部。
本发明构成金属铸造设施中的突破，因为施加到耐火元件(1)的接合表面(1a)上的膨胀密封部件(2)大幅度地延长了这种元件的使用时间，并且确保了金属有较好的质量，与迄今为止所能达到的情况相比，通过与透过的空气反应形成的氧化物夹杂物较少，并且由于削弱的耐火材料的腐蚀所致的喷嘴残留物较少。

Claims (35)

1.一种喷嘴组件(20,30)，用于选自滑动闸门和管更换装置的金属铸造设备，所述喷嘴组件包括：
-第一耐火元件(1)，其具有包括第一孔口的第一接合表面(1a)，和
-第二耐火元件(11)，其具有包括第二孔口的第二接合表面(11a)，所述第一和第二耐火元件通过它们各自的第一和第二接合表面以滑动平移关系彼此接合，使得所述第一和第二孔口可以呈对准和不对准状态，以在对准时限定出用于将熔融金属从所述喷嘴组件的熔融金属入口(13a)排出到熔融金属出口(3b)的连续孔(3,13)，
-密封部件(2)，其设置在所述第一和第二耐火元件的所述第一与第二接合表面之间，
其特征在于，所述密封部件(2)包含：
-5-95重量％的膨胀材料，包括可膨胀石墨和/或蛭石；
-5-95重量％的粘结剂；
-0-80重量％的润滑剂；
-0-20重量％的抗氧化剂，其中重量％是按固体干重相对于所述密封部件组合物的总干重测量的。
2.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其中所述膨胀密封部件(2)具有：
-初始膨胀温度Ti，至少为130℃，和/或
-最大相对膨胀V最大/V20，系在介于Ti与1400℃之间的最大膨胀时的温度T最大下测定的体积相对于其在20℃下测定的体积，其至少为10。
3.根据权利要求2所述的喷嘴组件，其中初始膨胀温度Ti至少为400℃。
4.根据权利要求2所述的喷嘴组件，其中初始膨胀温度Ti至少为600℃。
5.根据权利要求2所述的喷嘴组件，其中最大相对膨胀V最大/V20至少为25。
6.根据权利要求2所述的喷嘴组件，其中最大相对膨胀V最大/V20至少为50。
7.根据权利要求2所述的喷嘴组件，其中最大相对膨胀V最大/V20至少为80。
8.根据权利要求1或2所述的喷嘴组件，其中所述膨胀材料由层状材料组成，所述层状材料通过在层之间插入其它材料而被改性，以在暴露于热时引起膨胀，并且选自：
-可膨胀石墨、粘土、云母或珠光体，其包含插在相邻结晶层之间的以下物质中的一种或多种：硫酸、硝酸、磷酸、包括醋酸或酚酸的有机酸、氯气和溴气；
-蛭石；
-或它们的混合物。
9.根据权利要求8所述的喷嘴组件，其中蛭石形状为蛭石和黑云母的间层化层。
10.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其中所述密封部件为涂层，其未膨胀的厚度介于0.1mm与3.0mm之间；所述涂层被最终密封层覆盖。
11.根据权利要求10所述的喷嘴组件，其中所述未膨胀厚度介于0.2mm与1.0mm之间。
12.根据权利要求10所述的喷嘴组件，其中所述未膨胀厚度介于0.3mm与0.6mm之间。
13.根据权利要求10所述的喷嘴组件，其中所述密封部件被涂布在所述第一和/或第二接合表面(1a,11a)的全部之上，或者将所述密封部件施加到所述第一和/或第二接合表面(1a,11a)上的沟槽里，分别围绕所述第一和/或第二孔口，其中所述沟槽至少0.5mm深。
14.根据权利要求13所述的喷嘴组件，其中所述沟槽至少1.0mm深。
15.根据权利要求13所述的喷嘴组件，其中所述沟槽至少3.0mm深。
16.根据权利要求1或2中任一项所述的喷嘴组件，其中所述密封部件的形式为垫圈，嵌塞在所述第一和/或第二接合表面(1a,11a)上的沟槽中，分别围绕所述第一和/或第二孔口。
17.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其中所述粘结剂包括水玻璃。
18.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其中所述润滑剂包括不可膨胀石墨。
19.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其中所述抗氧化剂包括铝、硅或钼。
20.根据权利要求17所述的喷嘴组件，其中所述水玻璃与聚乙二醇(PEG)、粘土、Na2CO3、CaCO3、MgCO3、NaHCO3、Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2中的一种或多种掺和。
21.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其中所述膨胀材料的形状为包封在微壳体中的薄片，所述微壳体在暴露于给定的温度或机械应力时能够流动、挥发或降解，所述机械应力包括将一个接合表面在另一个接合表面之上滑动时的剪切力。
22.根据权利要求21所述的喷嘴组件，其中所述微壳体包括至少一个保护性壳体层，其由水玻璃、胶态二氧化硅或磷酸铝组成，以0.5-80重量％范围内的量存在，所述保护性壳体：
-被施加到底涂料上面，所述底涂料由酚醛树脂和糠醛的重量比介于3:8与3:1之间的混合物组成，所述底涂料被直接施加到所述膨胀薄片上面；和/或
-由末道表层覆盖。
23.根据权利要求22所述的喷嘴组件，其中所述保护性壳体层由水玻璃、胶态二氧化硅或磷酸铝结合粘土、Na2CO3、CaCO3、MgCO3、NaHCO3、Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)2中的一种或多种组成。
24.根据权利要求22所述的喷嘴组件，其中所述保护性壳体层以5-30重量％范围内的量存在。
25.根据权利要求22所述的喷嘴组件，其中酚醛树脂和糠醛的重量比介于1:1与3:2之间。
26.根据权利要求22所述的喷嘴组件，其中所述末道表层包含酚醛树脂和糠醛的混合物。
27.用于金属铸造设备的喷嘴组件的耐火元件(1)，所述耐火元件包括在第一基本上为平面的接合表面(1a)处的第一通孔(3)开口，所述第一基本上为平面的接合表面适合于以滑动平移关系与第二耐火元件(11)的第二接合表面(11a)相接合，其特征在于，所述耐火元件(1)的所述第一接合表面(1a)设有密封部件(2)，所述密封部件(2)包含：
-5-95重量％的膨胀材料，包括可膨胀石墨和/或蛭石；
-5-95重量％的粘结剂；
-0-80重量％的润滑剂；
-0-20重量％的抗氧化剂，其中重量％是按固体干重相对于所述密封部件组合物的总干重测量的，
其中所述第一平面的接合表面(1a)是以下之一：
-浇注喷嘴(32)的接合表面(1a)，所述浇注喷嘴(32)适合于被装配到管更换装置(30)中和从管更换装置(30)上卸下，浇注喷嘴(32)的接合表面(1a)与埋在中间包的底板内的内喷嘴的相应接触面呈滑动关系；
-内喷嘴(31)的接合表面(1a)，所述内喷嘴(31)要被安装在中间包的底部底板中并固定于管更换装置(30)，使得在于所述管更换装置中引入浇注喷嘴时所述接合表面(1a)与所述浇注喷嘴达成为滑动关系；
-滑动闸门装置板(25)的接合表面(1a)，使得所述接合表面(1a)与所述滑动闸门的第二板的接合表面达成为滑动关系。
28.根据权利要求27所述的耐火元件，其中所述密封部件和膨胀材料如权利要求2至26中任一项所限定。
29.生产根据权利要求27或28所述的耐火元件(1)的方法，包括以下步骤：
-提供在第一接合表面(1a)处包括第一通孔(3)开口的耐火元件，所述第一接合表面适合于以滑动平移关系与第二耐火元件(11)的第二接合表面(11a)相接合；
-将密封部件(2)施加到所述第一接合表面(1a)上面，以围绕所述孔口，
其特征在于，所述密封部件(2)包含：
-5-95重量％的膨胀材料，包括可膨胀石墨和/或蛭石；
-5-95重量％的粘结剂；
-0-80重量％的润滑剂；
-0-20重量％的抗氧化剂，其中重量％是按固体干重相对于所述密封部件组合物的总干重测量的。
30.根据权利要求29所述的方法，其中将所述密封部件施加到所述第一接合表面上作为：
-涂层，通过刷涂、喷涂、橡皮滚或辊的使用、印刷而覆盖所述第一接合表面的全部或仅一部分，所述印刷包括丝网印刷或凹版印刷；或
-涂层，通过注射、用橡皮滚轴压、铸造而填充设置在所述第一接合表面(1a)上的沟槽并围绕所述通孔(3)的口；或
-预成形垫圈，装配到设置在所述第一接合表面(1a)上的沟槽里并围绕所述通孔(3)的口。
31.接合用于选自滑动闸门和管更换装置的金属铸造设备的喷嘴组件(20,30)的两个耐火元件(1,11)的方法，所述方法包括以下步骤：
-实施权利要求29或30的方法步骤以提供耐火元件(1)，所述耐火元件(1)包括围绕第一接合表面(1a)上的孔口的膨胀密封部件(2)，所述膨胀密封部件(2)包含：
-5-95重量％的膨胀材料，包括可膨胀石墨和/或蛭石；
-5-95重量％的粘结剂；
-0-80重量％的润滑剂；
-0-20重量％的抗氧化剂，其中重量％是按固体干重相对于所
述密封部件组合物的总干重测量的；
-通过使所述第一接合表面(1a)在第二接合表面(11a)之上滑动平移而接合，所述第二接合表面(11a)包括所述喷嘴组件的第二耐火元件(11)的第二孔口，使得所述密封部件(2)接触第一和第二接合表面(1a,11a)两者，并使所述第一和第二孔口呈对准或不对准状态，以在对准时限定出从熔融金属入口(13a)到熔融金属出口(3b)的连续通孔；
-将如此接合的第一和第二耐火元件加热到至少足以使所述密封部件的膨胀材料发生膨胀的温度。
32.根据权利要求31所述的方法，其中将所述第一耐火元件(1)和密封部件(2)接合于所述第二耐火元件(11)之前在用以防止所述膨胀材料达到其最大膨胀的条件下以预加热温度对其进行预加热，方式是通过：
(a)保持所述预加热温度低于所述膨胀材料的最大膨胀时的温度T最大，或者
(b)将所述膨胀材料包封到(i)在将所述第一耐火元件滑动到铸造位置进入所述喷嘴组件时和/或(ii)在铸造熔融金属时以化学和/或机械和/或热的方式被破坏的壳体里。
33.用于密封金属铸造设备中的喷嘴组件的耐火元件之间的接触界面的密封组合物，所述密封组合物包含：
-5-95重量％的膨胀材料，包括可膨胀石墨，
-5-95重量％的作为粘结剂的水玻璃；
-至多80重量％的润滑剂，包括不可膨胀石墨；
-至多20重量％的抗氧化剂，包括铝，其中重量％是按固体干重相对于所述密封组合物的总干重测量的。
34.根据权利要求33所述的密封组合物，其中所述水玻璃与以下物质中的一种或多种掺和：粘土、Na2CO3、CaCO3、MgCO3、NaHCO3、Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2。
35.用于密封金属铸造设备中的喷嘴组件的第一和第二耐火元件的第一与第二接合表面之间的接触界面的膨胀密封部件(2)的用途，所述膨胀密封部件(2)包含：
-5-95重量％的膨胀材料，包括可膨胀石墨和/或蛭石；
-5-95重量％的粘结剂；
-0-80重量％的润滑剂；
-0-20重量％的抗氧化剂，其中重量％是按固体干重相对于所述密封部件组合物的总干重测量的，
其特征在于，所述第一和第二接合表面呈滑动平移关系。
CN201280061930.7A 2011-12-16 2012-12-14 包括以滑动平移关系彼此接合的第一和第二元件以及由热膨胀材料制成的密封部件、耐火元件的喷嘴组件、生产耐火元件的方法、接合两个耐火元件的方法 Active CN104185520B (zh)

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