CN1203543A - 具有惰性气体分配器的水口系统 - Google Patents

Abstract

一种耐火水口系统(1),该水口系统能有效地防止氧化铝沉积物聚集在该水口系统接收塞棒的上部顶边周围。该水口系统包括一个具有上部(9)和下部(11)的耐火水口主体(7)。一个孔(13)贯穿所述上部和下部并具有用于接收和排出熔融金属的接收端和排出端。一个惰性气体分配器(20)环绕所述水口主体的上部。一种由阻碍气体流动的耐火材料制成的衬套覆盖所述孔的孔壁,并且在所述孔的上部限定了一个安装部分。一个金属外壳(50)基本上围绕着所述上部(9)的外表面。在所述阻碍气体流动的衬套和金属外壳的引导下,利用气体分配系统使压缩的惰性气体导入到所述水口主体的可透气的上部,以使惰性气体主要通过所述上部的顶边流动。所产生的惰性气体流使孔的安装部分与外界氧气隔离,从而防止氧化铝沉积物聚集在与塞棒控制熔融金属流动能力相关的安装部分上。

Description

具有惰性气体分配器的水口系统

这篇专利申请是于1995年10月10日提交的现已放弃的美国专利申请08/541,760的部分继续申请。

发明背景

本发明涉及耐火材料水口系统，特别涉及一种与塞棒结合使用的水口，该水口具有一个用于防止氧化铝沉积在水口孔上方塞棒座落位置周围的惰性气体分配器。

用于控制诸如钢水等熔融金属流动的水口已经在现有技术中公开。这种类型的水口通常与滑动水口阀结合使用以调节炼钢过程中的钢水流动。在七十年代，由于铝镇静钢具有良好的冶金性能，因此铝镇静钢已成为炼钢工业最普遍的产品之一。遗憾的是，这种钢会在水口孔内表面周围出现氧化铝和其它耐火组分的沉积。如果不能防止，则会发现，在炼制这种钢的过程中，这种沉积物最终导致水口系统的堵塞。

为了解决氧化铝沉积问题，人们提出了具有疏松的导气耐火材料部件的水口系统。例如，美国专利4,360,190、5,100,035以及5,137,189中都披露了这种水口。在操作过程中，通过疏松耐火材料部件导入压缩的惰性气体(例如氩气)，所述的耐火部件构成了水口系统金属导入孔的部分表面或整个表面。通过金属导入孔侧面所产生的小氩气气泡流能够有效地防止或至少抑制氧化铝沉积在该区域中。

尽管这样的现有技术水口系统在与滑动水口阀结合使用时可以达到令人满意的效果，但是发明人发现，当这些水口中的导气疏松部件与塞棒结合使用以调节熔融金属的流动时却不能有效地阻止有害析出物质沉积在水口系统顶边周围。这是一个很大的缺陷，因为存在于顶边的沉积物质会大大影响塞棒准确调节通过水口系统的钢水流量的能力。

在对上述问题进行大量研究之后，申请人发现，这些有害沉积物质是由塞棒在水口系统顶边上方上下移动时在水口孔内部所产生的负压引起的。所产生的负压使氩气或其它惰性气体只能通过孔的侧壁流动，并使空气穿过水口而吸向孔，这样空气中的氧气与钢中的铝反应生成氧化铝。

显然，需要一种改进的水口系统，使该水口系统具有能够使惰性气体有效通过水口系统顶边的惰性气体分配器，以便防止氧化铝沉积在水口上方塞棒座落的位置处。最为理想的是，这样一个水口系统可形成一个防止空气与位于形成塞棒座落区域的水口表面上方的金属流接触的氩气阻挡层。水口系统应该结构简单并易于制造，还应具有较长的使用寿命。最后特定的气体分配器相对于现有水口应当是易于改型的，这样在不需对现有的水口进行重新设计的情况下，即可体现本发明的优点。

发明概述

概括地说，本发明提供一种与塞棒结合使用的用于控制熔融金属流动的水口系统，该水口系统具有一个惰性气体分配器以防止氧化铝沉积在水口系统上塞棒所处的位置。在本发明的头两个实施例中，该水口系统包括一个水口主体和一个孔，所述水口主体具有一个由一种疏松的导气耐火材料制成的上部，所述孔贯穿上部和下部以用于接收和排出诸如钢水等熔融金属。一个惰性气体分配器环绕所述水口主体的上部以便使惰性气体只能流动到所述水口上部。一个由比较不透气的耐火材料制成的衬套覆盖在构成所述水口孔上部的疏松耐火材料上，以防止压缩惰性气体流过所述孔的侧面。所述衬套的上部还构成用以接收塞棒的安装部分。利用一种诸如金属外壳的不透气材料层覆盖所述水口主体上部的外表面，以保证进入所述水口主体疏松上部的压缩惰性气体只能从上部的顶边排出。熔融金属流经水口孔所产生的负压将不能使惰性气体转向通过不疏松的衬套而进入负压区域。在第三和第四个实施例中，水口系统包括一个如前面所述的水口主体，该水口主体具有一个由孔隙率适度的陶瓷材料制成的上部。尽管用一种诸如金属外壳的不透气层状材料覆盖水口主体外部的大部分，但是水口主体的最上部分还是外露的。再用疏松的捣打材料包围所述金属外壳。一个惰性气体分配器以一种环状导气装置的形式环绕水口主体上部的外壳。该环状导气装置具有多个导气口以分配通过所述捣打材料并环绕水口主体上端的惰性气体。当熔融金属通过水口孔时，所产生的负压使惰性气体通过疏松度适度的水口主体外露的最上部并且使惰性气体流到衬套的安装部分的上方，从而防止空气透入水口主体的最上部。

在水口系统的头两个实施例中，由耐火材料制成的阻碍气体的衬套覆盖了孔的全部或几乎全部的底部和顶部。水口主体的下部最好由一种透气性较差的压制耐火材料制成，而上部由一种透气性较好的压制耐火材料制成。设置一个压缩惰性气体源，其最好包括一个具有出口端的导气管，该出口端终止于位于形成所述水口主体上部的疏松耐火材料中的一个环形槽中。该槽可围绕疏松耐火材料的侧面或底部。所述水口主体的下部可由一种含有少量粘结材料的铝土(low cementalumina)制成，该材料是可模制成形的以便于水口系统的制作。使用这样一种可模制成形的耐火材料还有利于压缩惰性气体源的导气装置的安装。

在本发明的第三和第四个实施例中，水口主体的上部和下部可由透气性适度的高铝材料或其它耐火材料制成。惰性气体分配器可以采用环状导气装置或金属外壳材料的双层部分的形式。在这两种情况下，导气通道最好方向向下以将被包围材料堵塞的情况降至最小。

在本发明的所有实施例中，水口系统的导气和气体分配部分使大量的惰性气体通过或围绕所述孔的上部以保护孔的安装部分与可能产生氧化铝沉积物的大气中的氧气隔绝。

附图简述

图1是与塞棒结合使用的本发明水口系统的截面图；

图2表示了本发明的第二实施例，其中压缩气体源的导管的出口端不同地安装在水口主体的疏松上部；

图3是使用一个环绕所述水口主体上端的气体分配器的本发明第三实施例的截面图；

图4是可用于本发明第二实施例中的导管型气体分配器的透视图；

图5是第四实施例的局部截面图，其中外壳材料的双层部分构成惰性气体分配器。

优选实施方案详述

现参见图1，本发明的水口系统1特别适于与塞棒5的端部3结合使用以调节诸如钢水等熔融金属的流动。

水口系统1的第一实施例包括一个水口主体7，该水口主体7具有一个由一种疏松的透气耐火材料环状物形成的上部9。在这个优选实施例中，该环状上部9是由一种孔隙率为25％至30％之间的压制高透气性耐火材料(可以是氧化镁)制成。上部9终止于顶边10。水口主体7还包括一个下部11，该下部11是由一种孔隙率为15％至20％之间的含有少量粘结材料的高铝可模制耐火材料制成。圆柱状孔13沿大致管状的水口主体7的中心线延伸。如下文将要详细描述的，孔13的上部15衬有一个相对不透气的衬套40，而该孔的最下部17主要由水口主体7的相对不透气的下部11来界定。孔13可引导诸如钢水的熔融金属流动，所述熔融金属通过该孔13的上部15被引入并且通过其下部17排出。

设置一个压缩惰性气体源20以用于引导氩气气流通过水口主体7的环状上部9。气源20包括一个导管22，如图所示，所述导管22如图所示贯穿水口7的下部11和上部9垂直地设置。在该优选实施例中，导管22可由碳素钢或不锈钢制成。导管22包括一个出口端24和一个入口端25。出口端24设置在水口主体7的环状疏松上部9的一个孔26内。孔26与一个环绕所述上部9的环形槽28相通。导管22的入口端25与一个弯头30的顶端相连，而供气管32与弯头的侧端相连。黄铜接头34a，b用于将管道22和32连接到弯头30上以保证密封连接。供气管32又与一个贮放压缩氩气的罐36(示意性地表示)相连。

水口系统1还包括一个由透气性较差的耐火材料制成的管状内套40，孔13的整个上部15和下部17的大部分都衬有所述内套40。所述内套40最好由一种孔隙率为约13％至14％的压制耐火材料、例如氧化镁制成。在所述内套40的上端，内套40包括一个喇叭形入口43，喇叭形入口43形成塞棒5在孔13中的座落区域，也用于使熔融钢水或其它金属集中于孔13的上部15。当塞棒5的端部3落入虚线所示位置时，塞棒5的圆形端部3和内套40的喇叭形入口43的几何形状能够保证这两个元件之间的密封连接。内套40的下部44基本上界定了孔13的内表面。内套40的外表面包括一个或多个锁固槽46，当将水口主体7的下部11以一种随后会简要介绍的方式围绕内套40模制时，所述锁固槽46有助于将内套40固定到所述下部11上。

一个金属外壳50围绕并罩住所述水口主体7的外表面。在所有优选实施例中，金属外壳50是由钢制成的。金属外壳50的顶端刚好终止于水口主体7上部9的顶边下方，留出一个环状的外露部分51，而金属外壳的底端向外张开以便与形成水口主体7底部的安装法兰52接合。

图2表示了本发明的第二个实施例60，在该实施例中，除了导管22的出口端24与水口主体7之上部9的连通方式之外，其它方面与第一实施例都相同。在这个实施例60中，利用一个存在于上部9底面上的环形槽61来代替孔26和环形槽28。导气管22的出口端24以所示方式与所述槽61相通。由于不要求在使下部11模制成形之前使导气管22的出口端24位于水口主体7上部的孔26内，因此本发明的第二实施例60比较容易制造。而且，所述出口端24可以位于环形槽61内的任何位置。

本发明的实施例1和60两者的结构易于水口系统1的制造。在制成水口主体7的上部9和内套40之后，将它们连接在一起并装入金属外壳50中，然后将金属外壳50翻转过来。接着，根据所要制造的本发明实施例的具体结构，将导气管22装入孔26中或装入环形槽61中。最后，以内套40的外表面和外壳50的内表面作为模子以模制成形水口主体7的下部11。其它模型部件(未示出)围绕着外壳50的下部法兰，以使固定法兰52与水口主体7整体地模制成形。

操作过程中，在用捣打材料(图1和2中未示出)包围水口主体7之后，可将水口系统1的顶端装入盖板54的孔中。然后，根据本发明实施例所用的具体结构，通过导管32和22将压缩氩气导入水口主体7之疏松上部9的环形槽28或61中。在此例子中的气体流量应为每分钟5至15升(或者每小时10-30立方英尺)。总之，气体流量不应太低以保证边缘10和喇叭形入口43的安装区域与外界氧气隔离，但也不应太高以防止气泡混入熔融金属流中。如图所示，内套43和金属外壳50的较低透气性以及形成下部11的可模制成形材料迫使压缩氩气只能通过顶边10离开水口主体7的环状上部9。随着塞棒5在水口系统1内往复移动而调节了钢水或其它金属的流动，连续流动的氩气代替了外界的氧气并且能够防止氧化铝或其它耐火组分沉积在这些区域上。

图3和图4表示了本发明的第三个实施例62，并且其中使用了惰性气体分配器63。在这个实施例中，水口主体7的上部9和下部11都由与前面所述实施例中制造水口主体7之下部11的同一类含有少量粘结材料的可模制成形的铝土制成。尽管这种铝土与前述第一和第二实施例中制造上部9的耐火材料的疏松程度不同，但重要的是，应该清楚这种材料仍具有适当的透气性，其孔隙率在15％-20％之间，通常为18％。惰性气体分配器63包括一个环状的气体分配盘64，这种分配盘的结构在图4中表示的最为清楚。在形成所述分配盘64的管状环的底部，等间隔均匀地设置多个导气口65。该分配盘64与一个垂直延伸的供气管66连成整体。弯头67将供气管66与一个水平的气体管道68连接起来，而所述气体管道68又与一个贮放压缩氩气的罐36相连。

如前面所述，用一种粒状捣打材料70包围水口主体7的外部。随着水口1的安装，在水口1周围人工捣实所述材料70，这种材料具有较高的透气性，其孔隙率在20％至40％之间。利用一种孔隙率小于所述捣打材料70的喷涂耐火材料(因此这种材料的导气性也较低)覆盖所述捣打材料70的顶部。围绕环状盘64的底部设置导气口65有助于防止在将捣打材料70人工捣实在水口系统62的主体7周围时堵塞这些导气口。

操作过程中，当注入的熔融钢水通过水口系统62的孔13时，通过分配盘64的导气口65导入压缩氩气。与前面所述的实施例类似，气体流量被调节到每分钟5至15升。如虚线的流动方向箭头73所示，所述气体流过水口主体7的环状外露部分51和喇叭状锥体43附近的上边缘10，这是因为捣打材料70和形成水口7之上部9的铝土均具有一定的孔隙率而造成的，并且由于熔融钢水流过孔13，因此在水口区域形成一定的负压(大约为-10磅/英寸²)。由于这些原因，因此虚线所示的流动方向箭头73接近从环状盘64流出的压缩气体阻力最小的路径。围绕着喇叭形锥体43所产生的惰性气体保护流能够防止外界氧气在水口系统62的这个部分中产生氧化铝沉积，其中该喇叭形锥体43形成塞棒5在水口主体7上的安装部分。

图5表示了本发明的第四个实施例74，在该实施例中，除了用金属外壳50的双层部分75代替了第三实施例中的管状环形盘64以外，其它的结构与操作都与前面所述的第三实施例62相同。该双层部分形成一个环状的气流腔室76，利用该腔室76使惰性气体最终通过多个均匀间隔开的气流口77排出。虽然附图中没有具体示出，但是所述双层部分75的上部凸缘和下部凸缘围绕着金属外壳50的顶部采用钎焊密封，因而进入所述环状气流空腔室76的压缩惰性气体只能通过流动通道77流出。如前面所述实施例一样，惰性气体流量最好为每分钟5至15升(或每小时10至30立方英尺)。

尽管通过四个优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员显然可对其进行各种改进、变形和补充。所有这些改进、变形和补充都将落入由权利要求书所限定的本发明的保护范围内。

Claims (23)

1.一种与塞棒结合使用的用于控制熔融金属流动的耐火水口系统，它包括：

一个水口主体，该水口主体具有一个上部、下部以及一个孔，所述上部由一种孔隙率至少为15％的耐火材料制成以便于能够传导气体，所述下部由一种耐火材料制成，所述孔具有分别用于接收和排出熔融金属的一个接收端和一个排出端，所述孔的接收端由所述水口主体的上部界定并且具有一个与塞棒密封接合的安装部分；

一个环绕所述水口主体上部的气体分配装置，使一个压缩惰性气体流只能通过所述水口主体的上部传导，以及

镶衬所述孔的装置，该装置能够防止压缩惰性气体通过由所述水口主体的上部所限定的孔壁，并且能够提供一个用于接收塞棒的安装部分，以使所述惰性气体基本上只能通过所述上部的顶部边缘并且使所述安装部分免于暴露在外界氧气下。

2.如权利要求1所述的耐火水口系统，其特征在于，所述镶衬装置是一个由孔隙率小于15％的耐火材料制成的衬套。

3.如权利要求1所述的耐火水口系统，其特征在于，该系统还包括一个围绕所述水口系统外侧设置的不透气材料层，该层限制所述压缩惰性气体通过所述水口主体的上部流到所述上部的顶边。

4.如权利要求3所述的耐火水口系统，其特征在于，所述不透气材料外层由一种围绕所述水口主体外表面的金属外壳制成。

5.如权利要求1所述的耐火水口系统，其特征在于，所述气体分配装置包括一种形成所述水口主体上部并且孔隙率在20％至30％之间的耐火材料，还包括一个导管，所述导管具有一个与形成所述水口主体上部的耐火材料相接触的出气端和一个贯穿形成所述水口主体下部的耐火材料的进气端，并且该进气端与压缩惰性气体源相连通。

6.如权利要求5所述的耐火水口系统，其特征在于，所述气体分配装置还包括一个环状导气槽，该环状导气槽环绕着形成所述水口主体上部的耐火材料的底面。

7.如权利要求5所述的耐火水口系统，其特征在于，所述气体分配装置还包括一个环状导气槽，该环状导气槽环绕着形成所述水口主体上部的耐火材料的侧面。

8.如权利要求1所述的耐火水口系统，其特征在于，所述气体分配装置包括一个环绕着所述水口主体上部的环状导气装置，该导气装置具有多个用于围绕所述上部均匀分配惰性气体的导气口。

9.如权利要求8所述的耐火水口系统，其特征在于，所述导气口朝向所述水口主体的下部以避免这些导气口被周围的捣打材料堵塞。

10.如权利要求9所述的耐火水口系统，其特征在于，用一个不透气的金属外壳罩住所述水口主体的外侧，并且所述环状导气装置由所述外壳的一个双层部分形成。

11.一种与塞棒结合使用用于控制熔融金属流动的耐火水口系统，它包括：

一个水口主体，该水口主体具有一个上部、下部以及一个孔，所述上部由一种孔隙率至少为15％的耐火材料制成以便于能够传导气体，所述下部由一种耐火材料制成，所述孔贯穿形成所述上部和下部的耐火材料，所述上部和下部具有分别用于接收和排出熔融金属的一个接收端和一个排出端，所述孔的接收端由所述水口主体的上部界定并且具有一个与塞棒密封接合的安装部分；

一个环绕所述水口主体上部的气体分配装置，用于使压缩的惰性气体流只能通过所述水口主体的上部传导；

一个覆盖形成所述孔上部之耐火材料的耐火材料衬套，该衬套能够防止压缩惰性气体通过由所述疏松耐火材料所限定的孔的上部并且能够提供一个用于接收塞棒的安装部分，所述衬套的孔隙率小于形成所述上部的耐火材料的孔隙率，以及

一个基本上覆盖所述水口主体的上部外侧的金属外壳，

其特征在于，所述衬套和所述外壳相互配合，以引导从所述气体分配装置流出的惰性气体基本上只通过所述水口主体的上部顶边，从而使所述孔的安装部分免于暴露在外界氧气下。

12.如权利要求11所述的耐火水口系统，其特征在于，所述气体分配装置包括一个设置在所述衬套和所述外壳之间的导管，该导管具有一个与所述水口主体的上部相通的出口端。

13.如权利要求12所述的耐火水口系统，其特征在于，所述气体分配装置还包括一个设置在形成所述上部的耐火材料中的环形槽，该环形槽能够围绕所述上部引导来自所述导管出口端的惰性气体。

14.如权利要求13所述的耐火水口系统，其特征在于，所述槽位于形成所述上部的耐火材料的一个下壁上。

15.如权利要求13所述的耐火水口系统，其特征在于，所述槽位于形成所述上部的耐火材料的一个侧壁上。

16.如权利要求11所述的耐火水口系统，其特征在于，所述气体分配装置包括一个环绕基本上覆盖所述上部的金属外壳的环状导气装置，该导气装置具有多个用于围绕所述上部分配惰性气体流的导气口。

17.如权利要求16所述的耐火水口系统，其特征在于，所述导气口朝向所述水口主体的下部，以避免这些导气口被围绕所述水口主体的捣打材料堵塞。

18.如权利要求16所述的耐火水口系统，其特征在于，所述导气装置是一个固定到所述金属外壳上的环状金属管。

19.如权利要求16所述的耐火水口系统，其特征在于，所述导气装置是所述金属外壳的一个环状双层部分。

20.如权利要求11所述的耐火水口系统，其特征在于，所述气体分配装置包括一个用于产生流量为每分钟15升的惰性气体流的压缩惰性气体源。

21.如权利要求11所述的耐火水口系统，其特征在于，所述水口主体的上部是由一种孔隙率大约为25％至30％之间的压制氧化镁耐火材料制成的。

22.如权利要求21所述的耐火水口系统，其特征在于，所述水口主体的下部是由一种孔隙率大约为15％至20％之间的可模制成形的铝土耐火材料制成的。

23.一种用于控制熔融金属流动的耐火水口系统，它包括：

一个水口主体，该水口主体具有一个上部、下部以及一个孔，所述上部由一种孔隙率至少为15％的耐火材料制成以便于能够传导气体，所述下部由一种耐火材料制成，所述孔贯穿形成所述上部和下部的耐火材料，并且具有分别用于接收和排出熔融金属的一个接收端和一个排出端，所述孔的接收端由所述水口主体的上部界定；

一个环绕所述水口主体上部的气体分配装置，用于使压缩的惰性气体流只能通过所述水口主体的上部传导；

镶衬所述孔的装置，该装置能够防止压缩惰性气体通过由所述水口主体的上部所限定的孔壁，并且能够使所述惰性气体改变流动方向以使惰性气体基本上只能通过所述上部的顶边并且能够使所述顶边免于暴露在外界氧气下。

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