CN208322095U - 耐火塞棒 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种耐火塞棒(1)，其用于控制熔融金属流出冶金容器，耐火塞棒包括：(a)细长本体，和(b)用于测量位于细长本体的块体内的内区(3i)处的温度的装置(5)，内区通过具有最低厚度t的材料条带与位于细长本体的块体外部的外区(3o)分开，其中内区的温度代表外区的瞬时温度，其特征在于，细长本体包括通孔(2)，通孔沿着横向轴线X2横向延伸长度D穿过细长本体，横向轴线X2优选地垂直于纵向轴线X1，并且由从第一开口的周界延伸到第二开口的周界的通孔壁限定，第一开口和第二开口位于周壁处，并且外区属于通孔壁且与棒头尖端分开距离M，距离M小于细长本体的长度L的三分之二，M≤2/3L。

Description

耐火塞棒

技术领域

本实用新型总体上涉及用于控制熔融金属从冶金容器的出口流向铸模或铸造工具的塞棒。特别地，本实用新型涉及配备有一体的温度测量装置的塞棒，其允许测量出口附近的金属熔体的瞬时温度。

背景技术

如图1所示，在连续的金属铸造工艺中，钢包(21)定位在中间包 (22)上方几米处，并且通过钢包长水口将熔融金属输送到中间包，所述钢包长水口为从钢包通往中间包的长管道形式。中间包设置在钢包与铸造工具(23)或结晶器之间，铸造工具(23)或结晶器通过位于中间包内部的上水口(22d)形式的出口，从中间包供给熔融金属，上水口与下水口连通，下水口位于中间包的外部和下部并供给待成形的熔融金属。流过上水口的熔融金属的流速可以通过塞棒(1)来控制，所述塞棒(1) 垂直地位于上水口上方并且包括与上水口的入口的几何形状相匹配的棒头尖端。通过上下移动塞棒，可以改变塞棒棒头尖端到上水口入口的垂直距离，从而在棒头尖端与上水口配合接触的情况下将熔融金属的流速从零开始控制，直至当棒头尖端足够远离上水口以不再影响流速时的最大流速。在一些实施例中，塞棒仅控制塞棒在打开位置和关闭位置之间的位置，并且这两个位置之间的流速变化由其他手段控制。

中间包中的连续温度测量不是强制性的特征，许多工厂正在使用现场温度测量(每小时2到3次测量)。但是，连续监测中间包内熔融金属的温度是有利的。在早期的设备中，温度传感器是浸入在熔融金属中的。然而，中间包内熔融金属的温度不是、也不需要是均匀的。熔融金属的最具价值的温度在上水口附近获得，因为熔融金属从那里直接浇铸到结晶器或工具中。为此，已经提出在大体棒头尖端的区域中包括位于塞棒内腔中的温度传感器以获得靠近上水口的熔融金属的温度。DE2912311 和WO2015104241描述了光学高温计，其测量位于细长耐火本体的内腔的闭合端处的内表面的温度，细长耐火本体可以是塞棒。封闭的一端邻近塞棒的尖端。虽然对于早期的设备有很大的改进，但是这种用于测量温度的装置有一个很大的缺点，如图7的塞棒(a)所示，这种装置对熔融金属温度变化的响应时间太长。在接下来的部分中详细讨论的一系列测试(图7中示出了这些测试的结果)中，这种现有技术的塞棒在熔融金属中浸入958mm，检测在熔融金属的温度变化10℃(±2℃内)的时间太长。现有技术的塞棒(a)的检测时间是390s(＝6.5分钟)，这对于令人满意地监测上水口附近的熔融金属的温度来说时间太长了。另一种通常用于自动化的评估响应时间的方法是达到目标温度变化(例如10℃变化)的63％和/或95％的时间。无论用什么方法测量响应时间，结果都是类似的。

由于在外表面发生的温度变化主要通过沿着将内表面与外表面分开的条带的传导而传递到内表面，因此可以通过减小条带的厚度和/或在条带中使用具有更高传导性的材料，来减少测量内区温度的装置对接触外区的熔融金属温度变化的响应时间。在如图7的塞棒(a)所示和在 DE2912311(图1和图2-1、2-2、2-3)中所描述的塞棒中，其包括位于以塞棒纵轴线为中心的内腔的闭合端处的热电偶，将内表面与外表面分开的耐火材料的厚度非常大，并且不能显著地减小。实际上，增加内腔的直径会产生塞棒机械阻力不足的问题。

US5361825提出了相对于纵向轴线X1使内腔偏移，如图7的塞棒(b) 中示意性所示。这种解决方案使得将内部与外表面分开的厚度t显著减小，但是该装置的响应时间的减少令人失望，从中心内腔的390s降低到偏移内腔的344s(比较图7的塞棒(a)和(b))，时间减少仅为12％。此外，US5361825中提出的偏移设计造成较大的塞棒，由于较重且不是轴对称的而更难以制造，并且需要更多的耐火材料用于其生产。

仍然需要一种装置，其适于在比迄今可能的更短的时间内检测中间包的上水口附近的熔融金属的温度变化。本实用新型提出了一种解决方案来满足这种需要：即一种塞棒，与现有技术的塞棒相比，这种塞棒具有特定几何形状，能够显著减少对熔融金属的温度变化的响应时间。本实用新型的这些和其他优点在后面进行介绍。

实用新型内容

本实用新型由所附独立权利要求限定。从属权利要求限定优选实施例。特别地，本实用新型涉及一种用于控制熔融金属流出冶金容器的耐火塞棒，所述耐火塞棒包括：

(a)细长本体，其包括由耐火材料制成并由周壁限定的块体，细长本体沿纵向轴线X1从远端延伸长度L到棒头尖端，以及

(b)用于测量位于细长本体的块体内的内区的温度的装置，所述内区通过具有最低厚度t的材料条带与位于细长本体的块体外部的外区分开，其中内区的温度代表外区的瞬时温度，

本实用新型的塞棒的特征在于，细长本体包括通孔，该通孔沿着横向轴线X2横向延伸长度D穿过细长本体，横向轴线X2优选地垂直于纵向轴线X1，并且由从第一开口的周界延伸到第二开口的周界的通孔壁限定，所述第一开口和第二开口位于周壁处，并且特征在于，外区属于通孔壁并且与棒头尖端分开距离M，距离M小于细长本体的长度L的三分之二，M≤2/3L，优选小于长度L的三分之一，M≤1/3L。优选地，横向轴线X2与X1垂直。

在一个优选实施例中，通孔关于以下各项是对称的：(a)平面(X1、 X2)，和/或(b)垂直于X2且包括X1的平面，和/或(c)垂直于X1且包括X2的平面，和/或(d)轴线X2。这样的对称性减少了在安装塞棒期间塞棒相对于(旋转)纵向轴线的不准确取向的故障风险。

在通孔中流动或停滞的熔融金属不得凝固。通孔因此具有尺寸要求。例如，通孔优选地满足以下尺寸要求中的一个或多个。

·通孔具有垂直于X2的横截面，沿整个长度D的面积至少为900 mm²，和/或

·通孔具有高度H，其在外区和通孔壁的与外区相对部分之间平行于纵向轴线X1测得，其包括在细长本体的长度L的1％和12％之间，0.01 L≤H≤0.12L；和/或

·通孔具有宽度W，其沿垂直于纵向轴线X1和横向轴线X2两者的方向测得，其包括在1/2wx和3wx之间，优选在wx和2wx之间，其中 wx是沿着与W相同的方向测得的内区的宽度。

第一开口和第二开口可以具有选自矩形、椭圆或矩形部分与椭圆部分的组合的横截面。这样的横截面几何形状优选地沿着通孔的整个长度D 维持，尽管不一定具有恒定的尺寸。内区和外区中的每一个优选地包括彼此平行的部分，该部分优选是平面的或者包括单曲面或双曲面。

在特别优选的实施例中，外区形成从通孔壁的表面突出的突起。例如，突起可以是倒置的中空钟状，具有朝向细长本体的远端的开口，以及从通孔的表面突出且平行于纵向轴线X1延伸的相反的封闭端。特别地，突起可以具有：

·宽度d，其包括在通孔的宽度W的50％和100％之间，1/2W≤d ≤W，优选宽度W的60％和90％之间，0.6W≤d≤0.9W，其中d和W 沿着垂直于纵向轴线X1和横向轴线X2两者的相同方向测得，和/或

·高度h，其包括在外区和通孔壁的与外区相对部分之间的高度H 的10％和75％之间，0.1H≤h≤0.75H，优选在高度H的25％和60％之间，0.25H≤h≤0.6H，其中h和H沿着平行于纵向轴线X1的相同方向测得。

用于测量内区温度的装置可以是任何装置，可以是光学高温计或热电偶。细长本体优选地包括内腔，内腔从开启于细长本体远端处的开口端延伸到形成内区的闭合端。光学高温计优选地位于内腔的开口端附近，与由闭合端形成的内区光学连通。形成内区的内腔的闭合端在垂直于纵向轴线X1的平面上的投影具有面积A3i，其优选地包括在面积A1w的4％和75％之间，0.04A1w≤A3i≤0.75A1w，面积A1w为垂直于纵向轴线 X1的细长本体的周壁的横截面的面积，在内区和纵向轴线X1之间相交处的水平面上。面积A3i更优选在面积A1w的4％至50％之间，0.04A1w ≤A3i≤0.5A1w。

在一个优选的实施例中，内区和外区是粘合到耐火本体的块体中的插入件的一部分。

为了缩短装置的响应时间，将内区与外区分开的材料条带可以由与第一种耐火材料不同的第二种耐火材料制成，第一种耐火材料形成细长本体体积的至少70％。第二种耐火材料具有比第一种耐火材料高的导热率。

为了在通孔的水平面处机械地加强塞棒，耐火体可以在通孔的水平面处形成凸起，使得垂直于中心轴线X1的横截面在通孔的水平面上比在距离棒头尖端2/3L的距离内的细长本体的任何其他水平面上具有更大的周长。

在优选实施例中，塞棒还包括通道，该通道包括可连接到惰性气体源的入口，惰性气体优选为氩气，所述通道源沿着细长本体的一部分延伸并且包括出口，所述出口位于细长本体的周壁处、邻近通孔而不是在通孔壁处并且与棒头尖端之间的距离在100mm和L/2之间。塞棒配备有用于测量气体通道中的压力的压力测量装置，以及控制器，其适于记录在恒定的气体流速下随时间变化的在气体通道中测得的压力，并且用于当塞棒被浸入金属熔体中时将所述压力与出口的浸入深度G相关联。

本实用新型还涉及一种用于控制熔融金属流出冶金容器的耐火塞棒，所述耐火塞棒包括：

·细长本体，其包括由耐火材料制成的外表面，外表面沿纵向轴线 X1从远端延伸长度L到棒头尖端，

·气体通道，其包括可连接到惰性气体源的入口，惰性气体源优选氩气，所述气体通道沿细长本体的一部分延伸并且包括在细长本体的外表面处的出口，出口位于距棒头尖端至少30mm处，优选至少100mm，并且距棒头尖端不超过L/2，优选不超过L/3，更优选不超过300mm，以及

·用于测量气体通道内的压力的压力测量装置，以及

·控制器，其配置为维持气体通道中的恒定气体流速、记录在气体通道中测得的压力，并且当耐火塞棒被浸入到金属熔体中时，将所述测得的压力与出口的浸入深度G相关联。控制器还配置为用于基于在气体通道中测得的压力来识别出口水平面处的熔渣的存在。这在冶金容器的排放过程中特别有用。

附图说明

在附图中示出了本实用新型的各种实施例。

图1：示出了包括钢包、中间包和铸造工具的冶金装置，塞棒控制通过上水口的金属的流量。

图2A-2M：示出了根据本实用新型的塞棒的几个实施例。

图3A-3B：示出了根据本实用新型实施例的塞棒的剖视图。

图4A-4B：示出了根据本实用新型的替代实施例的塞棒的剖视图。

图5A-5E：示意性地示出了用于限定根据本实用新型的塞棒的各种尺寸。

图6A-6E：示意性地示出了用于限定根据本实用新型的替代塞棒的各种尺寸。

图7：绘制了对于不同几何形状的塞棒，熔融金属的10℃温度变化的检测时间，塞棒(a)和塞棒(b)为现有技术的塞棒，塞棒(c)至塞棒(e)为根据本实用新型的塞棒。

图8：示出了包括用于测量中间包的填充水平的惰性气体通道的塞棒。

具体实施方式

如图2A-2M所示，根据本实用新型的用于控制熔融金属流出冶金容器的耐火塞棒(1)包括：

(a)细长本体，该细长本体包括由耐火材料制成并由周壁(1w)限定的块体(1b)，细长本体沿着纵向轴线X1从远端(1d)延伸长度L到棒头尖端(1n)，和

(b)用于测量位于细长本体的块体内的内区(3i)处的温度的装置 (5)，内区通过具有最低厚度t的材料条带与位于细长本体的块体外部的外区(3o)分开；内区的温度必须代表外区的瞬时温度。

本实用新型的主旨在于通过在细长本体中包括通孔(2)来减小分隔内外表面的条带的厚度，通孔(2)沿着横向轴线X2横向延伸长度D穿过细长本体，所述横向轴线X2优选垂直于纵向轴线X1。如图2A-2M至图6A-6E所示，通孔由从第一开口的周界延伸到第二开口的周界的通孔壁限定。

此处的周壁被定义为限定塞棒的外部轮廓的壁。在塞棒的长度L的主要部分(不包括棒头尖端，并且可选地，不包括对含有通孔的部分起加强作用的凸起部分)上通常基本上是圆柱形的。

通孔壁是在其长度D上限定通孔的壁。通孔壁由第一开口和第二开口的周界限定在通孔的每一端。通过将具有通孔的塞棒的剖视图与不具有通孔的相同塞棒的剖视图重叠，可以容易地确定周界。开口的周界简单地由多个点限定，其中两个剖视图从彼此不同的方向开始。

因为当浸入熔融金属中时，塞棒的周壁和通孔壁都与熔融金属接触，所以它们一起形成水口的外表面。相反，内表面、内壁或内腔被定义为这样的表面、壁或腔：它们被设计为从来不与熔融金属接触。内区(3i) 就是这种情况，内区(3i)由内表面形成。

外区(3o)属于通孔壁。因此它形成外表面的一部分，并且在使用中被熔融金属润湿，如图3A-3B中的点阴影区域所示，所述点阴影区域表示熔融金属(10)。如图5A-5E和图6A-6E所示，外区与棒头尖端分开的距离M小于细长本体的长度L的三分之二，M≤2/3L，优选小于长度 L的三分之一，M≤1/3L。这个限制条件有两个原因。首先，确保相对靠近上水口(22d)地测量熔体温度。其次，通孔减弱了塞棒的阻力(特别是弯曲)。塞棒由于其在上水口周围的重复的上下运动以及流过其外表面和棒头尖端的熔融金属的流动而受到力。在标准塞棒中，在塞棒顶部测得最高弯矩。在根据本实用新型的塞棒中，通孔所在的位置与棒头尖端的距离M越远，包括通孔的塞棒部分上的弯曲力矩越大就变得重要，从而增加故障的风险。

通孔的几何形状没有特别的限制，只要它确保(a)熔融金属既可以流过也可以停滞在其中而不会凝固，并且(b)可以与内区(3i)建立良好的导热交换。在一个优选实施例中，优选的是通孔沿其延伸的横向轴线X2垂直于X1。还优选的是，通孔关于以下各项是对称的：(a)平面 (X1、X2)，和/或(b)垂直于X2且包括X1的平面，和/或(c)垂直于 X1且包括X2的平面，和/或(d)轴线X2。这些特定几何形状的原因是难以预测通过通孔的熔融金属的流动轨迹。在开口的取向(围绕纵向轴线X1旋转)不受控制的情况下尤其如此。在这种情况下，通孔的不对称设计可能会导致熔融金属的不均匀的流动，这取决于其安装取向以及金属熔池的瞬时条件。

第一开口(2a)和第二开口(2b)可以具有选自矩形、椭圆、或矩形部分与椭圆部分的组合的横截面。优选地，通孔沿着通孔的整个长度D 具有上述横截面中的一个。内区和外区优选地包括彼此平行的部分。例如，平行部分可以例如是如图2A-2M和图7的塞棒(f)所示的平面，或者它可以包括如图3A-3B和图5A-5E所示的单个曲面，或者如图4A-4B、图6A-6E和图7的塞棒(g)所示的双曲面。这确保了通过将外区与内区分开的条带的传导而实现均匀的热传递。

图7针对相同的测试条件和相同尺寸和材料的类似塞棒的不同几何形状作出比较，所述比较涉及：测量形成内区(3i)的内腔(4)的闭合端的温度的光学高温计相对于与外区接触的熔融金属温度的10℃变化的响应时间。记录的时间对应于高温计对熔融金属新温度±2℃以内的测量值。塞棒(a)和(b)是上述背景技术部分讨论的现有技术设计。现有技术塞棒所记录的最短响应时间是344s。塞棒(c)是根据本实用新型的塞棒。通孔是圆柱形的，并且内区形成半球形。针对塞棒(c)记录的响应时间为203秒，略高于针对塞棒(a)记录的响应时间的一半。塞棒(d) 和(e)得出类似的响应时间170秒。在塞棒(d)中，外区是平坦表面，内区是半球形表面。在塞棒(e)中，外区是半圆柱形，内区是平坦表面。塞棒(f)包括形成内外区域的平行的平坦表面，得出126秒的响应时间。最后，塞棒(g)包括一个倒置的钟形突起，半球形的内区嵌套在基本半球形的外区中。塞棒(g)得出53秒的响应时间，约为现有技术塞棒(a) 记录的时间的14％。可以看出，响应时间随着带的面积增加而减小，其中内区和外区彼此平行地延伸。突起提供了具有平行的内区和外区的3D 部分。当平坦表面面向弯曲表面时，如塞棒(d)和(e)中那样，响应时间增加。而当内表面和外表面形成背离的弯曲表面时，如塞棒(c)中那样，记录到更长的响应时间。应该注意的是，尽管在根据本实用新型的塞棒之中得出203秒的最差响应时间，但塞棒(c)比现有技术的塞棒(a) 和(b)中的任何一种塞棒实质上更具响应性，后两者的响应时间分别为 390秒和344秒。

必须避免存在于通孔中的金属的凝固，以免在内区(3i)处测量的温度将不能代表上水口附近的熔融金属的温度。为此，通孔必须具有足够大的尺寸以防止发生这种凝固。特别地，通孔可以具有垂直于X2的横截面，该横截面沿着整个长度D具有至少900mm²的面积。可选地或者伴随地，通孔可以具有高度H，其平行于纵向轴线X1测得，在外区和通孔壁的与外区相对的部分之间，该高度H在细长本体的长度L的1％和12％之间，0.01L≤H≤0.12L。类似地，通孔可以具有宽度W，其沿着均垂直于纵向轴线X1和横向轴线X2的方向测得，包括在1/2wx和3wx之间，优选在wx和2wx之间，其中wx是沿与W相同方向测得的内区的宽度。

在一个优选实施例中，外区形成突出于通孔壁的表面的突起。对于垂直于纵向轴线X1的恒定的横截面面积，在图2D-2M、图4A-4B、图 6A-6E和图7的塞棒(g)中示出的该实施例均增加了外区和内区的面积。由突起的露出侧限定的外区在所有侧均被熔融金属围绕并接触熔融金属。因此，通过耐火材料条带向内区的传热被增强。

突起可以呈倒置的中空钟形状，具有朝向细长本体的远端的开口，以及从通孔壁的表面突出并且平行于纵向轴线X1延伸的相反封闭端。图 2D-2M、图4A-4B、图6A-6E和图7的塞棒(g)中示出了该实施例。其优点是，内表面可以是形成倒置钟形内侧的内腔的闭合端，并且被熔融金属360°地环绕。采用这种设计时必须小心，以使突起和通孔壁的侧壁之间有足够的间隙，以防止任何金属在由耐火材料包围的死区中凝固。

或者，如图5A-5E所示，突起可以在通孔的整个宽度W上像波浪一样延伸。这种设计降低了形成熔融金属可能凝固的死区的风险。如图 5A-5E所示，突起可以形成一个半圆柱体，就像教堂的(倒置的)罗马教堂中殿一样，从而界定具有同心半圆柱形几何形状的平行的内区和外区。

除了如上所述的倒置钟形或波浪形以外的其他几何形状也是可能的。尽管不是必需的，但是一定程度的对称性通常是优选的，特别是如果开口相对于纵向轴线X1的旋转取向不被明确地控制。以下尺寸指示避免通孔中的熔融金属凝固的问题。他们可以单独采用或以任何需要的方式组合。

突起的宽度d可以为通孔宽度W的50％至100％之间，1/2W≤d≤W。该宽度优选为在通孔宽度W的60％和90％之间，0.6W≤d≤0.9W，其中d和W沿着均垂直于纵向轴线X1和横向轴线X2的相同方向测得。可替代地或伴随地，突起可以具有高度h，其在外区和通孔壁的与外区相对部分之间的高度H的10％和75％之间，0.1H≤h≤0.75H，优选地，在高度H的25％和60％之间，0.25H≤h≤0.6H，其中h和H沿着平行于纵向轴线X1的相同方向测得。

用于测量温度的装置(5)优选地选自光学高温计或热电偶。光学高温计，并且在热电偶的情况下，热电偶的控制器位于中间包的外侧，优选地在塞棒的远端处或附近，或者在控制塞棒的垂直向上和向下运动的机械系统处或附近。在光学高温计的情况下，内区必须与高温计进行光学连通。高温计与内区整个区域之间必须有不受阻挡的直线或圆锥。如图2A-2M、图5A和6A所示，这可以通过提供具有内腔(4)的细长本体来实现，该内腔从在细长本体的远端处开口的开口端延伸到形成内区 (3i)的闭合端。光学高温计因此可以位于内腔(4)的开口端附近，与由闭合端形成的内区(3i)光学连通。

热电偶由一端彼此连接以形成电路的两根不同导线形成，每根导线在不同的温度下形成电接头。由于热电效应，热电偶产生基于热电效应的电压，并且该电压能够被解释用来测量温度。在一个实施例中，导线可嵌入细长本体的块体中，并在邻近外区的位置彼此连接。电压-温度转换器可以安装在中间包以外的任何地方。内区然后将由耐火材料形成，所述耐火材料(在两根导线的连接处)与两根导线接触。这种解决方案的缺点是，如果导线断裂(出于任何原因)或者两根导线脱离接触，则无法解决问题并获得关于熔融熔体温度的信息。此外，将热电偶嵌入耐火材料块中使得热电偶暴露于用于制造细长本体的严苛的压力和温度下，这很可能损坏热电偶。

由于这个原因，优选的是，即使当使用热电偶时，细长本体也包括如上文参照光学高温计所描述的内腔(4)。这样，在完成细长本体的制造之后，可以将热电偶引入到内腔中，其中接合的电线定位成抵靠于形成内区的内腔的闭合端。如果热电偶由于任何原因而断裂，则可以在不中断金属铸造操作的情况下容易地更换热电偶。由于导体电缆是柔性的，所以内腔不一定沿直线延伸。在实践中，优选的是，内腔沿着直线延伸，优选地沿纵向轴线X1延伸，因为(a)制造更简单，并且(b)可以通过将导线耦接到相对刚性的杆上以使热电偶容易且快速地抵靠在内区，该杆可以容易地插入内腔中，迫使接合的导线接触内区。

内区必须足够大以代表接触外区的熔融金属的温度。内区的最大尺寸受包括内腔的细长本体的机械特性的限制，随着内腔的横截面增大并且因此内区的横截面增加，所述机械特性减小。形成内区的内腔的闭合端在垂直于纵向轴线X1的平面上的投影可以具有面积A3i，其包括在面积A1w的4％和75％之间，0.04A1w≤A3i≤0.75A1w，面积A1w为在内区和纵向轴线X1之间相交的水平面上、垂直于纵向轴线X1的细长本体的周壁的横截面的面积(参见图5E和图6E)。比率A3i/A1w优选包括在 4％和50％之间：0.04A1w≤A3i≤0.5A1w。

如图2A-2M所示，内区(3i)和外区(3o)可以是插入件(3c)的一部分，该插入件粘合到耐火本体的块体上。如图2D-2M所示，插入件可以形成突起，具有上文参考突起讨论的所有优点。另外，如图2B-2C 所示，插入件可以与通孔平齐并且不形成突起。由于几个原因，使用插入件是有利的。首先，可以在包括以下步骤的过程中更好地控制内区和外区的几何形状：

(a)单独生产插入件，在内区域和外区域的几何形状上提供了很大的自由度；

(b)制造细长本体，所述细长本体包括通孔(2)和平行于纵向轴线X1延伸的通腔并且在远端和通孔壁处开口，以及

(c)将插入件粘合到通孔壁处的通腔的开口，以形成包括内区的内腔(4)。

第二个优点是插入件可以由耐火材料制成，所述耐火材料具有比形成细长本体的块体的耐火材料更高的导热率。

使用插入件的缺点当然是该过程需要几个模具和步骤，包括组装步骤。根据本实用新型的塞棒也可以在单个步骤中制造，产生形成细长本体的整体部分的内区和外区。通过在工具中插入沿着纵向轴线X1延伸的内部棒芯，形成内腔(4)，其具有形成内区的闭合端部，并且通过横向于纵向轴线X1且与内部棒芯的一端短距离地插入棒芯而形成通孔，从而限定将内区和外区分开的条带。可以局部地使用不同的耐火材料。这个过程比较简单，但是在内区和外区和通孔的设计方面提供了较少的自由度。

无论是否使用插入件，对于将内区与外区分开的具有高导热率的条带，使用耐火材料是有利的。构成细长本体的体积的至少70％的细长本体的其余部分可以针对塞棒所要求的机械特性和物理化学性质被选择，而不管热导率如何，而插入件的耐火材料可以针对导热性进行优化。具有较高导热率的条带对外区周围的熔融金属的温度变化具有更快的响应。

如之前所讨论的，通孔可能机械地弱化细长本体。具体地说，由于通孔的存在，细长本体的抗压强度降低。如图2L-2M所示，为了补偿根据本实用新型的塞棒的较低的抗压性能，耐火体可以在通孔的水平处形成凸起(1bw)，使得在通孔水平面处垂直于中心轴线X1的横截面比距离棒头尖端2/3L距离内的细长本体的任何其他水平面处的横截面具有更大的周长。这种简单的解决方案允许通孔在任一侧上由另外的材料侧接，从而局部加强细长本体。

如图2G-2M和图8所示，许多塞棒配置有从细长本体的远端延伸的保护气体通道(7n)，该保护气体通道耦接到加压惰性气体(通常为氩气) 源，并且沿着细长本体的块体延伸，直到位于棒头尖端处或附近的出口为止。因此，氩气可从棒头尖端注入熔融金属，该熔融金属通过上水口 (22d)流出并进入铸造工具。这防止了由于熔融金属流入到在棒头尖端与上水口的入口之间形成的间隙所产生的文丘里效应而导致的低压位置的空气进入。

中间包内的熔融金属包括浮在其表面的上层覆盖渣。熔渣有益于对熔融金属进行隔热，防止其与大气接触，并有益于从熔融金属中吸取任何杂质。当熔融金属通过上水口流出到铸造工具中时，熔融金属的液面下降。如果所有的熔融金属都从中间包流出，熔渣就会到达上水口并浇铸到铸造工具中，从而报废整块铸坯。防止熔融金属的液面低于一定深度是重要的，并且最重要的是防止熔渣通过上水口流入铸造工具。

WO2005042183建议提供一种气体通道(7n)，用于在压力下将惰性气体注射到具有约束部的棒头尖端以建立一定的压力，并且对约束部下游的压力进行监测。熔渣的密度与熔融金属的密度非常不同。当中间包接近排空时，熔渣流入上水口，压力突然变化，并且可以启动塞棒以关闭上水口。这个系统有一个主要的缺点，就是当熔渣已经到达棒头尖端处的氩气管道的出口时，已经太迟了，因为熔渣已经流过了上水口并进入了铸造工具。此外，由于熔融金属流入在棒头尖端和上水口之间形成的间隙中，压力发生巨大变化，所述压力的变化随着塞棒的运动和熔融金属的流量而不断地变化。WO2005042183中建议的系统只能用于检测非常大的压力变化，如文献中所述，由熔渣到达棒头尖端引起。这个系统没有预防的可能性。

在图8所示的本实用新型中，提出了一种塞棒，其包括：

·细长本体，其包括由耐火材料制成的外表面，外表面沿纵向轴线 X1从远端延伸长度L到棒头尖端，

·气体通道(7w)，其包括可连接到惰性气体源(7)的入口，惰性气体源(7)优选地为氩气，惰性气体源(7)沿着细长本体的一部分延伸并且包括在细长本体的外表面处的出口，出口位于距离棒头尖端至少 30mm处，优选至少100mm，并且距离棒头尖端不超过L/2，优选不超过L/3，更优选不超过300mm，以及

·用于测量气体通道压力的压力测量装置，以及

·控制器(7c)，例如可编程逻辑控制器(PLC)，其配置为用于保持气体通道中的恒定气体流速、记录在气体通道中测得的压力，并且用于当耐火塞棒被浸入到金属熔体中时，将所测得的压力与出口的浸入深度G 相关联，可选地用于将所述测得的压力与在出口水平面处熔渣的存在相关联。

通过将气体通道的出口定位在离棒头尖端至少100mm处，在出口水平面处的熔融金属的压力适度地变化，因为它远离由棒头尖端和棒头尖端上水口的入口之间的间隙形成的文丘里通道。这具有以下优点：控制器(例如，PLC)确保气体的恒定流量，并且可以将在气体通道中测得的压力作为静水压力(有时称为静液压力)的函数关联，其本身取决于出口的浸入深度。控制器因此可以根据气体通道中记录的压力变化来确定气体通道出口的浸入深度G，并且由于棒头尖端与上水口的入口的距离以及当然气体通道出口与上水口的入口的距离由控制器控制，控制器可以即时确定中间包内熔融金属的填充水平。通过这种方式，可以给钢包提供指令以对中间包进行补充，或者如果钢包不可用，则当填充水平低于预定参考值时，用塞棒关闭上水口。

如WO2005042183中所述，当熔渣到达气体通道的出口时，由于熔融金属和熔渣之间的密度差异，记录到显著的压力变化。WO2005042183 的系统仅依靠到达位于棒头尖端处的气体通道的出口的熔渣，渣到达出口时已太晚。本系统确定了中间包的即时填充水平，并为操作人员或计算机留出了足够的时间来采取适当的措施以确保铸造不被中断。然而，在系统故障的情况下，例如由于比系统能够应对的更重要的压力波动，当熔渣到达气体通道的出口时，系统将检测到主要的压力变化，如 WO2005042183中所述。然而，这里的优点在于，由于气体通道的出口距离棒头尖端至少100mm，所以当熔渣到达气体通道出口时，在熔渣到达上水口之前还有反应的时间。

在一个优选实施例中，包括上述通孔的塞棒设置有如图2I-2M和图8 所示的气体通道(7w)以用于确定中间包的液位。因此，本实用新型的塞棒优选地包括通道(7w)，该通道包括可连接到惰性气体源(7)(优选氩气)的入口，该通道沿着细长本体的一部分延伸并且包括出口，该出口在细长本体的周壁处，位于通孔附近，但是并不在通孔壁处并且与棒头尖端之间的距离在100mm和L/2之间。在该实施例中，耐火塞棒还包括：用于测量气体通道中压力的压力测量装置(7p)；以及控制器(7c) (例如PLC或等效计算器)，其维持气体通道中的恒定气体流量，并且配置为当耐火材料塞棒被浸入金属熔体中时，将所述压力与出口的浸入深度G相关联。同样的控制器也可以运行关于测得压力的实时算法，从而当熔渣和钢水在出口前方通过时，根据金属熔体和熔渣之间的密度差异来检测熔渣和钢水之间的界面。这个特征在冶金容器排放时特别有用。

根据本实用新型的塞棒还可以包括如图2G-2M和图8所示的保护气体通道(7n)，其包括可连接到惰性气体(优选氩气)源(7)的入口，所述气体通道沿着细长本体延伸并且在棒头尖端处包括出口。保护气体通道(7n)用于在通过上水口流出的熔融金属中形成惰性气体层。

Claims (27)

1.一种耐火塞棒(1)，所述耐火塞棒(1)用于控制熔融金属流出冶金容器，所述耐火塞棒包括：

(a)细长本体，所述细长本体包括由耐火材料制成并由周壁(1w)限定的块体(1b)，所述细长本体沿纵向轴线X1从远端(1d)延伸长度L到棒头尖端(1n)，以及

(b)用于测量位于所述细长本体的所述块体内的内区(3i)处的温度的装置(5)，所述内区通过具有最低厚度t的材料条带与位于所述细长本体的所述块体外部的外区(3o)分开，其中所述内区的温度代表所述外区处的瞬时温度，

其特征在于，所述细长本体包括通孔(2)，所述通孔(2)沿着横向轴线X2延伸长度D穿过所述细长本体，所述横向轴线X2横向于所述纵向轴线X1，并且所述通孔(2)由从第一开口的周界延伸到第二开口的周界的通孔壁限定，所述第一开口(2a)和所述第二开口(2b)位于所述周壁处，并且所述外区属于所述通孔壁且与所述棒头尖端分开距离M，所述距离M小于所述细长本体的长度L的三分之二，M≤2/3L。

2.根据权利要求1所述的耐火塞棒，其中，所述横向轴线X2垂直于所述纵向轴线X1。

3.根据权利要求1所述的耐火塞棒，其中，所述距离M小于所述细长本体的所述长度L的三分之一，M≤1/3L。

4.根据权利要求1所述的耐火塞棒，其中，所述横向轴线X2垂直于所述纵向轴线X1，并且其中所述通孔关于以下是对称的：(a)所述横向轴线X2和所述纵向轴线X1所在的平面，和/或(b)垂直于所述横向轴线X2且包括所述纵向轴线X1的平面，和/或(c)垂直于所述纵向轴线X1且包括所述横向轴线X2的平面，和/或(d)所述横向轴线X2。

5.根据权利要求1所述的耐火塞棒，其中：

·所述通孔具有垂直于所述横向轴线X2的横截面，所述横截面沿整个所述长度D的面积至少为900mm²，和/或

·所述通孔具有高度H，所述高度H在所述外区和所述通孔壁的与所述外区相对的部分之间沿平行于所述纵向轴线X1的方向测得，所述高度H在所述细长本体的所述长度L的1％和12％之间，0.01L≤H≤0.12L；和/或

·所述通孔具有宽度W，所述宽度W沿垂直于所述纵向轴线X1和所述横向轴线X2两者的方向测量，所述宽度W在1/2wx和3wx之间，其中wx是沿着与宽度W相同的方向测得的、所述内区的宽度。

6.根据权利要求5所述的耐火塞棒，其中，宽度W在wx和2wx之间。

7.根据权利要求1所述的耐火塞棒，其中所述第一开口和所述第二开口具有选自矩形、椭圆、或矩形部分与椭圆部分的组合的横截面，并且其中所述内区和所述外区中的每一个包括彼此平行的部分，所述彼此平行的部分是平面的、或者包括单曲面或双曲面。

8.根据权利要求5所述的耐火塞棒，其中，所述外区形成从所述通孔壁的表面突出的突起(3p)。

9.根据权利要求8所述的耐火塞棒，其中，所述突起为倒置的中空钟状，所述突起具有朝向所述细长本体的所述远端的开口，以及从所述通孔的表面突出且平行于所述纵向轴线X1延伸的相反的封闭端。

10.根据权利要求8所述的耐火塞棒，其中所述突起具有：

·宽度d，所述宽度d在所述通孔的所述宽度W的50％和100％之间，1/2W≤d≤W，其中d和W沿着垂直于所述纵向轴线X1和所述横向轴线X2两者的相同方向测得，和/或

·高度h，所述高度h在所述外区和所述通孔壁的与所述外区相对的部分之间的所述高度H的10％和75％之间，0.1H≤h≤0.75H，其中h和H沿着平行于所述纵向轴线X1的相同方向测得。

11.根据权利要求10所述的耐火塞棒，其中，所述宽度d在所述宽度W的60％和90％之间，0.6W≤d≤0.9W。

12.根据权利要求10所述的耐火塞棒，其中，所述高度h在所述高度H的25％和60％之间，0.25H≤h≤0.6H。

13.根据权利要求1所述的耐火塞棒，其中用于测量温度的所述装置(5)是光学高温计或热电偶。

14.根据权利要求13所述的耐火塞棒，其中，所述细长本体包括内腔(4)，所述内腔(4)从开口于所述细长本体的所述远端处的开口端延伸到形成所述内区(3i)的闭合端，并且其中，所述光学高温计位于所述内腔的所述开口端附近、与由所述闭合端形成的所述内区光学连通。

15.根据权利要求14所述的耐火塞棒，其中形成所述内区的所述内腔的所述闭合端在垂直于所述纵向轴线X1的平面上的投影具有面积A3i，所述面积A3i在面积A1w的4％和75％之间，0.04A1w≤A3i≤0.75A1w，所述面积A1w为所述细长本体的所述周壁在所述内区和所述纵向轴线X1之间相交部的水平面处垂直于所述纵向轴线X1的横截面的面积。

16.根据权利要求15所述的耐火塞棒，其中所述面积A3i在所述面积A1w的4％至50％之间，0.04A1w≤A3i≤0.5A1w。

17.根据权利要求1所述的耐火塞棒，其中所述内区(3i)和所述外区(3o)是粘合到所述细长本体的所述块体中的插入件(3c)的一部分。

18.根据权利要求1所述的耐火塞棒，其中，第一耐火材料形成所述细长本体体积的至少70％，并且其中，将所述内区与所述外区分开的所述材料条带由与所述第一耐火材料不同的第二耐火材料制成，所述第二耐火材料具有比所述第一耐火材料更高的导热率。

19.根据权利要求1所述的耐火塞棒，其中，所述细长本体在所述通孔的水平面处形成凸起(1bw)，使得所述细长本体的在所述通孔的水平面上、垂直于所述纵向轴线X1的横截面比所述细长本体在距离所述棒头尖端2/3L的距离内的任何其他水平面上的横截面具有更大的周长。

20.根据权利要求1所述的耐火塞棒，所述耐火塞棒包括气体通道(7w)，所述气体通道(7w)包括可连接到惰性气体源的入口，所述气体通道沿着所述细长本体的一部分延伸并且包括出口，所述出口位于所述细长本体的所述周壁处、邻近所述通孔但不是在所述通孔壁处，并且所述出口与所述棒头尖端之间的距离在100mm和L/2之间，所述耐火塞棒还包括用于测量所述气体通道中的压力的压力测量装置(7p)以及控制器(7c)，所述控制器(7c)适于记录在恒定的惰性气体流速下随时间变化的在所述气体通道中测得的压力，并且所述控制器(7c)用于当所述耐火塞棒被浸入金属熔体中时将所述压力与所述出口的浸入深度G相关联。

21.根据权利要求20所述的耐火塞棒，其中所述惰性气体为氩气。

22.一种耐火塞棒，所述耐火塞棒用于控制熔融金属流出冶金容器，所述耐火塞棒包括：

·细长本体，所述细长本体包括由耐火材料制成的外表面，所述细长本体沿纵向轴线X1从远端延伸长度L到棒头尖端，

·气体通道(7w)，所述气体通道(7w)包括可连接到惰性气体源(7)的入口，所述气体通道沿所述细长本体的一部分延伸并且包括在所述细长本体的所述外表面处的出口，其特征在于，所述出口位于距所述棒头尖端至少30mm处，并且所述出口距所述棒头尖端不超过L/2，

所述耐火塞棒还包括：

·用于测量所述气体通道中的压力的压力测量装置(7p)，以及

·控制器(7c)，所述控制器(7c)配置为维持所述气体通道中的恒定气体流速，记录在所述气体通道中测得的压力，并且用于当所述耐火塞棒被浸入到金属熔体中时，将所测得的压力与所述出口的浸入深度G相关联。

23.根据权利要求22所述的耐火塞棒，其中所述惰性气体为氩气。

24.根据权利要求22所述的耐火塞棒，其中所述出口位于距所述棒头尖端至少100mm处。

25.根据权利要求22所述的耐火塞棒，其中所述出口距所述棒头尖端不超过L/3。

26.根据权利要求22所述的耐火塞棒，其中所述出口距所述棒头尖端不超过300mm。

27.根据权利要求22所述的耐火塞棒，其中所述控制器(7c)配置为将所测得的压力与在所述出口的水平面处的熔渣的存在相关联。