ES2277653T3 - Dispositivo de tapon alargado. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de tapón alargado para controlar el flujo de metal fundido desde un recipiente que contiene dicho metal fundido, comprendiendo dicho dispositivo: a) un cuerpo (10) realizado en un material cerámico refractario, b) un orificio taladrado (12) que tiene un eje longitudinal (A) y que se extiende desde una superficie superior (10u) de dicho cuerpo hacia abajo, c) una barra (14) que penetra con un extremo (14l) en dicho orificio taladrado (12) y que está fijamente asegurada dentro de dicho cuerpo (10), d) una parte de sellado (18) que está dispuesta dentro de un espacio adyacente a dicho orificio taladrado (12) o que es parte del mismo, e) estando definido dicho espacio por lo menos parcialmente por unas secciones de superficie (12a, 12i, 14s) opuestas diferentes de dicha barra (14) y de dicho cuerpo (10), respectivamente, extendiéndose por lo menos una de dichas secciones de superficie (14s) de la barra (14) o del orificio taladrado (12), respectivamente, bajo un ángulo a > 0º y < 90º con respecto al eje longitudinal (A) de dicho orificio taladrado (12) o proporcionando una superficie curvada apropiada, de tal modo que la parte de sellado (18) cambie su forma cuando se introduzca dicha barra (14) en dicho orificio taladrado (12), mientras que, al mismo tiempo, fluye hacia dentro de unos huecos entre dicha barra (14) y dicho orificio taladrado (12) adyacentes a dicho espacio, f) dicha barra (14) presenta una anchura menor en su parte (14s, 14l) adyacente a dicho espacio que en su parte superior (14u) y dicha parte (14s, 14l) se extiende por debajo de dicho espacio, y g) unos medios de fijación (16, 16t, 14t) están dispuestos por debajo de dicha parte de sellado para recibir y sujetar la barra (14) dentro del cuerpo (10).
Description
Dispositivo de tapón alargado.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de tapón alargado para controlar el flujo de metal
fundido, es decir, para controlar el flujo de metal fundido desde
un recipiente metalúrgico, tal como una artesa de colada.
Es bien conocido en la fundición de acero
emplear una barra de tapón refractaria de una pieza que se mueve
verticalmente por el uso de un mecanismo de elevación a fin de
variar el área de la sección transversal de una abertura de salida
del recipiente metalúrgico correspondiente.
Las barras de tapón se han utilizado también
para introducir un gas inerte, tal como argón, en el acero fundido
para eliminar inclusiones no metalúrgicas del metal fundido.
En todos los casos, el dispositivo de tapón debe
resistir horas sumergido en metal fundido. Asimismo, debe ser capaz
de soportar el duro golpe térmico encontrado en la puesta en marcha
de la fundición y cualesquiera fuerzas mecánicas impuestas al
mismo.
Hasta el momento se han realizado muchos
intentos de mejorar las propiedades mecánicas y térmicas de tal
dispositivo de tapón y de mejorar su comportamiento durante el
uso.
El documento EP 0 358 535 B2 describe una barra
de tapón refractaria de una pieza adaptada a un mecanismo de
elevación, que comprende un cuerpo de barra de tapón alargado de un
material refractario, cuyo cuerpo está provisto de un orificio
taladrado que tiene un eje longitudinal y que se extiende desde una
superficie superior de dicho cuerpo hacia abajo. Dentro de dicho
orificio taladrado axial se inserta un manguito metálico para
recibir a rosca una parte roscada de una barra metálica, insertada
en dicha cuerpo refractario, para su sujeción a un mecanismo de
elevación correspondiente.
En una barra de tapón para introducir gas en la
masa fundida, es importante disponer una junta de sellado entre el
cuerpo refractario y la barra metálica a fin de impedir una pérdida
sustancial de dicho gas y la infiltración de aire. En los
documentos EP 1 106 284 A1 y EP 1 135 227 B1 se describe una
realización de esta clase. Las disposiciones de sellado descritas
han resultado ser desventajosas.
Por tanto, un objetivo de la presente invención
es proporcionar un dispositivo de tapón alargado para controlar el
flujo de un metal fundido procedente de un recipiente que contiene
metal fundido, cuyo dispositivo sea fácil de producir y proporcione
unos medios de sellado efectivos.
Se ha encontrado ahora que los inconvenientes
descritos se presentan en su mayor parte cuando los medios de
sellado son comprimidos más o menos exclusivamente entre superficies
similares por fuerzas axiales unidireccionales. Esto se ilustra en
la figura 1, que demuestra la técnica anterior según los documentos
EP 0 358 535 B2 (figura 2) y EP 1 106 284 A1 (figura 1). Unas
superficies de sellado similares (paralelas) BS del cuerpo
refractario B y RS de la barra R puede provocar únicamente una
compresión unidireccional tras la inserción de la barra R en el
cuerpo B. Esto mismo es cierto cuando dichas superficies BS y RS
están dispuestas como se muestra en la figura 1a, que corresponde a
la técnica anterior según el documento EP 1 135 227 B1 (figura
1).
Al contrario de la técnica de sellado conocida,
se ha descubierto que la hermeticidad deseada puede mejorarse de
manera característica cuando la parte de sellado es comprimida por
fuerzas efectivas en diferentes direcciones, por ejemplo por la
introducción de una fuerza radial además de cualesquiera fuerzas
axiales. Cuanto más se comprima el material de sellado por fuerzas
radiales, tanto más efectivo es el sellado. El sellado y la
hermeticidad correspondiente pueden conseguirse durante un periodo
de trabajo completo del dispositivo de tapón, es decir, a
temperatura ambiente, durante el calentamiento, a una temperatura de
trabajo máxima y durante el enfriamiento.
Así, la parte de sellado está situada en un
espacio definido entre superficies diferentes. Estas superficies
diferentes son superficies proporcionadas por una superficie
exterior de dicha barra de acero y una sección de superficie
interior de dicho cuerpo de tapón. La forma y el tamaño del espacio
definido por estas superficies de sellado se cambian durante el
proceso de montaje, por ejemplo durante la inserción de una barra
metálica en un orificio taladrado del cuerpo de tapón, ejerciendo
así una combinación de fuerzas radiales y axiales que hacen que la
parte de sellado se comprima y se deforme para asumir una nueva
forma dependiente de las posiciones finales de las superficies de
sellado una con respecto a otra.
Se deriva de la disposición coaxial de la barra
metálica dentro del orificio taladrado la condición de que la parte
de sellado deberá disponerse más o menos coaxial y radialmente con
respecto a la barra.
La parte de sellado puede situarse de forma
suelta en esta posición durante el proceso de montaje o comprimirse
dentro del cuerpo de cerámica durante el proceso de conformación de
una manera conocida en la técnica a fin de que llegue a ser un
elemento integrante de la estructura del cuerpo de tapón de
cerámica.
Es obvio que el elemento de sellado debe
presentar la posibilidad de deformarse a temperatura ambiente para
crear una junta de sellado hermética al gas durante el montaje. Al
mismo tiempo, el elemento de sellado debe resistir las temperaturas
presentes cuando el dispositivo de tapón está en uso. Aunque deberá
mantener su nueva forma después del montaje, el elemento de sellado
deberá tener la posibilidad de una deformación adicional a
temperaturas más altas alcanzadas en uso.
Aunque la parte de sellado puede tener
inicialmente una forma similar a un anillo con superficies
inferiores y/o superiores curvas o planas paralelas, conseguirá
cualquier forma diferente después de la compresión, dependiendo de
las respectivas posiciones de las superficies presionadas contra
él.
En su forma de realización más general, la
invención se refiere a un dispositivo de tapón alargado según la
reivindicación 1.
La parte de sellado se deforma durante el
montaje cuando dicha barra metálica se inserta en el orificio
taladrado del cuerpo refractario. La parte de sellado es cambiada
así a una nueva configuración, es decir, cambia su forma
exterior.
En dispositivos de la técnica anterior (figura 1
del documento EP 1 135 227 B1), se muestra que el elemento de
sellado es comprimido sólo axialmente durante el montaje por
superficies similares, por lo que puede disminuirse el área de la
sección transversal del elemento de sellado, pero se mantiene su
sección transversal generalmente rectangular. Por el contrario, el
nuevo dispositivo de tapón proporciona un espacio para dicho
elemento de sellado, definiéndose dicho espacio por diferentes
perfiles de superficie de sellado (superficies de sellado), de modo
que el elemento de sellado se someta a fuerzas de compresión axiales
y radiales que conducen a una deformación del área de la sección
transversal (y a un cambio de la forma exterior) del elemento de
sellado. Al mismo tiempo que el espacio en el que se ha situado el
elemento de sellado se hace más pequeño, el material de sellado se
deformará y penetrará en cualesquiera espacios adyacentes, tal como
cualquier espacio entre el orificio taladrado del cuerpo de
cerámica y la porción principal de la barra metálica. Esto se
describirá con más detalle según las figuras adjuntas.
Incluso durante el servicio, el nuevo diseño
desarrolla ventajas adicionales. Durante el servicio (bajo carga de
temperatura alta), la expansión diferencial que surge de la
temperatura incrementada da como resultado una expansión más radial
de la barra de soporte metálica que la del cuerpo de cerámica que la
rodea y, por tanto, un incremento en la eficiencia de sellado por
compresión adicional del elemento de sellado en la dirección
radial.
Hasta el momento, cuando se ha hecho referencia
a perfiles de superficie de sellado diferentes, éstos se referían a
superficies opuestas que no se extienden paralelas entre sí.
Según una forma de realización, por lo menos una
de estas secciones de superficie (perfiles de superficie de
sellado) que definen el espacio para dicha parte de sellado se
extiende por lo menos parcialmente perpendicular al eje
longitudinal de dicho orificio taladrado.
Durante el servicio, cuando el dispositivo de
tapón está fijado a un mecanismo de elevación correspondiente y se
extiende verticalmente, esta sección de superficie está dispuesta
horizontalmente. Esta parte horizontal puede ser proporcionada por
una sección de orificio taladrado ampliada. Dicha sección de
superficie horizontalmente orientada es igual a la superficie de
sellado anular 10 según la figura 1 del documento EP 1 135 227 B1.
Incluso la sección de pared vertical adyacente del orificio
taladrado correspondiente es igual a dicha construcción de la
técnica anterior. La diferencia decisiva ahora es que por lo menos
una de las otras superficies de sellado (opuestas) permite una
compresión multidireccional de la parte de sellado. Por tanto, dicha
superficie de sellado adicional está orientada bajo un ángulo >
0º y < 90º con respecto al eje longitudinal del orificio
taladrado. Esto puede conseguirse simplemente proporcionando una
sección de superficie biselada correspondiente de la barra que se
describirá adicionalmente según los dibujos adjuntos.
Aparecerá una compresión multidireccional
similar si la superficie de sellado correspondiente de la barra de
acero tiene un perfil redondeado en vez de una forma angulada.
El diseño anteriormente descrito proporciona una
sección de orificio taladrado agrandada en la parte superior del
cuerpo.
El área de la sección transversal de dicho
espacio puede tener cualquier forma en tanto que haya por lo menos
una sección de superficie que permita una compresión del elemento de
sellado por fuerzas multidireccionales. Por tanto, por lo menos una
sección de superficie del taladro agujereado o la barra que definen
respectivamente dicho espacio puede proporcionar un ángulo > 0º
y < 90º con respecto al eje longitudinal o bien dicha sección de
superficie puede proporcionar una superficie curvada apropiada.
Un área de sección transversal triangular o
pentagonal son dos de muchas posibilidades.
Típicamente, se proporcionará un área de sección
transversal asimétrica.
Como se describirá con referencia a los dibujos
adjuntos, la barra tiene una anchura más pequeña en su parte
adyacente a dicho espacio que en su parte superior.
Dicha parte con menor anchura se extiende por
debajo de dicho espacio.
La parte de sellado puede estar realizado en
grafito.
Una parte de sellado útil, que cumple los
requisitos mencionados anteriormente, está realizado en un material
de grafito comprimido con una pureza > 95% en peso de carbono y
una densidad de aproximadamente 1,4 g/cm^{3}.
Es conveniente utilizar una junta de sellado en
forma de anillo.
La parte de sellado puede estar realizada en una
cinta enrollada (una bobina de película de grafito). Las espiras de
dicho miembro de sellado deberán extenderse entonces en la dirección
longitudinal del orificio taladrado o de la barra, respectivamente.
Como alternativa, puede ser útil también emplear un miembro de
sellado realizado en una serie de anillos similares a láminas,
colocados uno encima del otro y unidos entre ellos.
Dicha parte de sellado de grafito (junta) puede
utilizarse sin problemas a temperaturas de servicio de típicamente
de 800 a 1.200º Celsius. No hay cambio en la rigidez ni
sinterización a estas temperaturas con tales juntas de grafito. Por
otro lado, incluso a estas temperaturas, la parte de sellado
mantiene la posibilidad de una deformación adicional tanto para
mejorar la eficiencia del mecanismo de sellado como para absorber
las tensiones mecánicas que podrían resultar de otra forma en daños
mecánicos durante el ser-
vicio.
vicio.
La parte de sellado comprimida presenta estas
propiedades deseadas. La ausencia de un suministro de oxígeno
dentro del conjunto y la atmósfera inerte proporcionada por la
inyección de gas a través de un ánima axial de dicha barra y/o del
orificio taladrado del cuerpo de cerámica impiden cualquier
degradación por oxidación durante el servicio.
La característica más importante de la invención
es que la parte de sellado se deforma adoptando una configuración
completamente nueva cuando se inserta la barra en el cuerpo de
cerámica, como se describe anteriormente. Esto establece el perfil
conjunto circunferencial requerido que llena el espacio entre el
exterior de la barra metálica y la pared correspondiente del
orificio taladrado del cuerpo de tapón de cerámica.
La parte de sellado está dispuesta por encima de
unos medios de fijación adicionales que pueden diseñarse como un
casquillo con un ánima roscada que coopera con una rosca exterior de
la barra.
Dichos medios de fijación pueden estar
realizados en cualquier material diferente del material del cuerpo
refractario y suficientemente fuerte para recibir y sujetar la barra
metálica correspondiente. Por ejemplo, los medios de fijación
pueden estar realizados en metal o cerámica especial, tal como
nitruro de silicio, circonia o alúmina.
Hasta el momento, cuando en esta descripción se
hace referencia a "por encima", "superior",
"inferior", "hacia abajo", etc., ello se refiere al uso
típico de tal barra de tapón, que se extiende predominantemente en
dirección vertical.
Parece obvio por la descripción anterior que si
dicho dispositivo de tapón se usa para introducir gas, la barra
correspondiente estará equipada con un ánima axial a través del cual
se suministra el gas. El orificio taladrado correspondiente del
cuerpo estará provisto de por lo menos una abertura en su extremo
inferior.
Detalles adicionales de la invención se
describirán en las reivindicaciones subordinadas y en los otros
documentos de la solicitud.
La invención se describirá a continuación con
respecto a una forma de realización que no limita de ninguna forma
el alcance del dispositivo de tapón reivindicado.
La figura 2 muestra esquemáticamente una parte
superior de un dispositivo de tapón en una vista en sección
transversal parcialmente longitudinal.
El dispositivo de tapón comprende un cuerpo
refractario alargado 10 con un orificio taladrado central 12 situado
coaxialmente con respecto al cuerpo 10 y adaptado para recibir
fijamente una barra metálica 14 para su sujeción a un mecanismo de
elevación (no mostrado).
El orificio taladrado 12 es de una forma más o
menos cilíndrica. Tiene una parte superior 12u caracterizada por un
diámetro d_{1} y una parte inferior 12l caracterizada por un
diámetro menor d_{2}.
Una sección de transición entre la parte
superior 12u y la parte inferior 121 es proporcionada por una
superficie anular 12a, sobre la cual está situada una junta de
grafito 18 en forma de anillo. Esta junta 18 está realizada en una
película de grafito enrollada con dicha forma de anillo mostrada en
la figura 2.
Por debajo de dicha junta 18 está dispuesta una
rosca de cerámica 16 con una rosca interior 16t dentro del material
refractario de cerámica del cuerpo 10 para recibir a rosca una rosca
exterior correspondiente 14t de la barra 14.
La barra 14 está diseñada como sigue: su parte
inferior 14l, provista de dicha rosca exterior 14t, tiene un
diámetro d_{3} ligeramente menor que d_{2}.
La parte superior 14u de la barra 14 tiene un
diámetro d_{4} ligeramente menor que d_{1}, pero mayor que
d_{2}.
Como puede verse por la figura 2, el área de
transición entre la parte inferior 14l y la parte superior 14u se
caracteriza por una sección inclinada 14s.
Aunque la superficie anular 12a está dispuesta
perpendicular al eje longitudinal A del orificio taladrado 12 y la
barra 14, respectivamente, la superficie de sellado inclinada 14s
proporciona un ángulo \alpha de aproximadamente 45º con dicho eje
A.
Durante el montaje, cuando dicha barra 14 se
introduce (se atornilla) en dicho orificio taladrado 12, la
superficie de sellado 14s comprime la parte de sellado 18, que es
impulsada bajo fuerzas multidireccionales provocadas por la
superficie de sellado inclinada 14s para modificar su forma y
adoptar una forma comprimida nueva (diferente), mientras que, al
mismo tiempo, fluye hacia unos huecos (intersticios) adyacentes
entre la barra 14 y el orificio taladrado 12. Esto puede verse
mejor en la figura 2a, que corresponde a la porción de la figura 2
encerrada dentro de un círculo después de que la barra 14 haya sido
empujada aún más hacia dentro del cuerpo 10 (en la dirección de la
flecha D).
Resulta obvio por la figura 2a que se
proporciona un sellado íntimo entre la barra 14 y el cuerpo 10,
provocado principalmente por secciones de superficie disimilares
(diferentes) que definen el espacio para alojar la parte de sellado
18.
El elemento circunferencial de la junta de
sellado se comprimirá aún más y se mejorará la hermeticidad en
servicio por efecto de fuerzas de expansión radiales y axiales
(adicionales) que resultan del coeficiente de expansión mayor de la
barra de soporte de acero 14 en comparación con el del cuerpo de
cerámica refractario 10 del dispositivo de tapón.
De nuevo, el perfil diferente 14s de la barra 14
próxima a la parte de sellado 18, en comparación con las secciones
de superficie correspondientes 12a y la pared interior 12i del
orificio taladrado 12 son responsables de proporcionar unos medios
de deformación para el elemento de sellado 18 durante el proceso de
montaje y en servicio.
El efecto de sellado puede mejorarse todavía por
medio de un espacio ampliado en el que pueda deformarse el material
de sellado. La figura 2b muestra una realización correspondiente en
la cual el perfil de la barra metálica 14 incluye un entrante 14c
hacia dentro del cual es deformado el material de grafito por el
movimiento de la barra 14, incrementando el área y la hermeticidad
circunferenciales de la junta de sellado.
Los inventores han hecho pruebas para comparar
la efectividad del nuevo dispositivo de tapón de purga de gas
descrito y, especialmente, su hermeticidad durante el uso. El flujo
de gas era de 5 litros/min a una presión aplicada de 3 bares.
Se demostró que se conseguía una hermeticidad
completa e intensa desde el momento de puesta en marcha, durante un
incremento de temperatura (hasta aproximadamente 900ºC, lo que es
típico de las temperaturas medidas durante la aplicación del
servicio) a lo largo de por lo menos 45 min y durante un
enfriamiento posterior.
En una prueba comparativa con un dispositivo de
la técnica anterior, se perdió hermeticidad durante un
calentamiento, después de 20 min, cuando no se utilizó ninguna
junta.
En un dispositivo de tapón según la técnica
anterior (con una junta dispuesta dentro de un espacio de sección
transversal rectangular) se perdió la hermeticidad de sellado a
temperaturas por encima de 800ºC y no se observó suficiente rigidez
durante el periodo de enfriamiento posterior.
Claims (11)
1. Dispositivo de tapón alargado para controlar
el flujo de metal fundido desde un recipiente que contiene dicho
metal fundido, comprendiendo dicho dispositivo:
- a)
- un cuerpo (10) realizado en un material cerámico refractario,
- b)
- un orificio taladrado (12) que tiene un eje longitudinal (A) y que se extiende desde una superficie superior (10u) de dicho cuerpo hacia abajo,
- c)
- una barra (14) que penetra con un extremo (14l) en dicho orificio taladrado (12) y que está fijamente asegurada dentro de dicho cuerpo (10),
- d)
- una parte de sellado (18) que está dispuesta dentro de un espacio adyacente a dicho orificio taladrado (12) o que es parte del mismo,
- e)
- estando definido dicho espacio por lo menos parcialmente por unas secciones de superficie (12a, 12i, 14s) opuestas diferentes de dicha barra (14) y de dicho cuerpo (10), respectivamente, extendiéndose por lo menos una de dichas secciones de superficie (14s) de la barra (14) o del orificio taladrado (12), respectivamente, bajo un ángulo \alpha > 0º y < 90º con respecto al eje longitudinal (A) de dicho orificio taladrado (12) o proporcionando una superficie curvada apropiada, de tal modo que la parte de sellado (18) cambie su forma cuando se introduzca dicha barra (14) en dicho orificio taladrado (12), mientras que, al mismo tiempo, fluye hacia dentro de unos huecos entre dicha barra (14) y dicho orificio taladrado (12) adyacentes a dicho espacio,
- f)
- dicha barra (14) presenta una anchura menor en su parte (14s, 14l) adyacente a dicho espacio que en su parte superior (14u) y dicha parte (14s, 14l) se extiende por debajo de dicho espacio, y
- g)
- unos medios de fijación (16, 16t, 14t) están dispuestos por debajo de dicha parte de sellado para recibir y sujetar la barra (14) dentro del cuerpo (10).
2. Dispositivo de tapón según la reivindicación
1, en el que por lo menos una de dichas secciones de superficie
(12a) se extiende por lo menos parcialmente en dirección
perpendicular al eje longitudinal (A) de dicho orificio taladrado
(12).
3. Dispositivo de tapón según la reivindicación
2, en el que dicha sección de superficie (12a) que se extiende
perpendicular al eje longitudinal (A) de dicho orificio taladrado
(12) es parte de una sección agrandada de orificio taladrado
(12u).
4. Dispositivo de tapón según la reivindicación
1, en el que dicho espacio proporciona un área de sección
transversal triangular o pentagonal.
5. Dispositivo de tapón según la reivindicación
1, en el que dicho espacio proporciona un área de sección
transversal asimétrica.
6. Dispositivo de tapón según la reivindicación
1, en el que dicha barra (14) tiene una sección de superficie
biselada.
7. Dispositivo de tapón según la reivindicación
1, en el que dicha barra (14) tiene un perfil redondeado.
8. Dispositivo de tapón según la reivindicación
1, en el que dicha parte de sellado (18) está realizada en
grafito.
9. Dispositivo de tapón según la reivindicación
1, en el que dicha parte de sellado (18) tiene forma anular.
10. Dispositivo de tapón según la reivindicación
1, en el que dicha parte de sellado (18) está realizada en una
cinta enrollada, extendiéndose las espiras de dicha parte de sellado
(18) en dirección paralela al eje longitudinal (A) de dicho
orificio taladrado (12).
11. Dispositivo de tapón según la reivindicación
1, en el que la parte de sellado se ha conformado dentro del cuerpo
de cerámica durante el proceso de producción.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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