DISPOSITIVO DE TAPÓN ALARGADO
Campo de la Invención La invención se refiere a un dispositivo de tapón alargado para el control de flujo de metal fundido, es decir, para controlar el flujo de metal fundido desde un recipiente metalúrgico, tal como una artesa refractaria.
Antecedentes de la Invención Es bien conocido en la fundición de acero emplear una varilla de tapón, refractaria, de una pieza, que se mueve verticalmente por el uso de un mecanismo de levantamiento a fin de variar el área en sección transversal de una abertura de salida del recipiente metalúrgico correspondiente. Estas varillas de tapón también se han usado para introducir un gas inerte, tal como argón, en el acero fundido para remover inclusiones no metálicas del metal fundido. En todos los casos, el dispositivo de tapón debe resistir horas sumergido en metal fundido. También debe ser capaz de resistir el choque térmico rudo encontrado en el inicio de la fundición y cualquier fuerza mecánica impuesta al mismo. A tal grado, se han hecho muchos intentos para mejorar las propiedades mecánicas y térmicas de este dispositivo de tapón y para mejorar su comportamiento durante el uso. La EP 0 358 535 B2 describe una varilla de tapón, refractaria, de una pieza adaptada a un mecanismo de levantamiento, que comprende un cuerpo alargado de varilla de tapón de un material refractario, cuerpo que se proporciona con un agujero, que tiene un eje longitudinal y que se extiende desde una superficie superior del cuerpo hacia abajo. Dentro del agujero axial, se inserta un buje metálico para recibir de forma roscada una parte roscada de una varilla metálica, insertada en el cuerpo refractario para la unión a un mecanismo correspondiente de levantamiento. Un problema con ese dispositivo es la fijación del buje metálico con el material refractario del cuerpo y el requerimiento de evitar los esfuerzos diferenciales entre el cuerpo cerámico y la pieza de inserción del buje metálico, que puede provocar ruptura mecánica del material cerámico durante la operación de servicio. De acuerdo con DE 198 23 990 C2 se describe un dispositivo de tapón, que proporciona una parte superior del agujero que incorpora una pieza cerámica de inserción. Esta pieza de inserción proporciona una rosca interna, que corresponde a una rosca exterior de una varilla metálica correspondiente fijada por rosca dentro de la pieza de inserción después de la inserción de la varilla en la pieza de inserción roscada. En tanto que el uso de dos materiales cerámicos reduce el riesgo de esfuerzos diferenciales entre el material del cuerpo y la pieza de inserción de retención, permanecen los problemas asociados con la dificultad en el mantenimiento de una forma de hebra exacta en un material cerámico de alta resistencia a un costo aceptable. Por lo tanto, es un objeto de la presente invención proporcionar un dispositivo alargado de tapón para el control de flujo de un metal fundido desde un recipiente, que contiene metal fundido, que sea fácil de producir y proporcione un medio simple de fijación para la unión de una varilla metálica correspondiente dentro de un cuerpo cerámico refractario correspondiente.
Descripción de la Invención Ahora se ha encontrado que esta unión de la varilla metálica dentro de un agujero correspondiente del cuerpo cerámico refractario se puede lograr con un medio mucho más simple que un buje metálico cilindrico o una pieza de inserción, cerámica, cilindrica, alargada, específicamente por al menos un ancla tal como una parte tipo hoja de un diferente material (en comparación con el material del cuerpo) por lo que el ancla se fija dentro del cuerpo entre la superficie superior del cuerpo y el extremo inferior del agujero correspondiente y sobresale radialmente en el agujero con sus superficies principales que corren de una manera predominantemente perpendicular al eje longitudinal del agujero dentro de la parte superior del cuerpo . Contrario a las construcciones de la técnica anterior, que describen un medio de fijación para la varilla metálica, el medio de fijación conocido que se extiende todo a lo largo de una longitud significativa del eje longitudinal del cuerpo refractario alargado, la invención proporciona un medio de fijación arreglado de una manera predominantemente perpendicular al eje longitudinal del cuerpo y/o agujero respectivamente y en una posición específica a lo largo de la longitud del agujero dentro del cuerpo. A tal grado, estos medios de fijación son mucho más pequeños que un buje, es decir, se introduce material mucho menos diferente en el cuerpo cerámico y se van a esperar esfuerzos térmicos y mecánicos mucho menores entre el medio de fijación (ancla) y el cuerpo cerámico. En otras palabras: Esta ancla se arregla a una altura específica del dispositivo alargado de tapón a una distancia a su superficie superior y a una distancia a su extremo inferior. Típicamente, se arregla un lugar entre 10 y 40 % de la longitud total del dispositivo de tapón, calculado desde el extremo superior del cuerpo refractario, que puede ser 5-25 cm, típicamente cerca de 10 cm desde el extremo superior. Obviamente, este medio de fijación en general radial presenta una longitud axial significativamente reducida que cualquier pieza de inserción o buje que se extienda a lo largo del eje longitudinal. Cualquier esfuerzo mecánico generado en el cuerpo cerámico por los efectos de la expansión térmica longitudinal que surgen de este medio de fijación en general radial por lo tanto son mucho menores que aquellos generados con las construcciones de la técnica anterior. Adicionalmente, se puede fijar fácilmente dentro de los alrededores refractarios cerámicos (material de cuerpo refractario) , por ejemplo, durante el prensado isostático del dispositivo de tapón. La fabricación se puede hacer como sigue: la(s) ancla (s) mencionada (s) anteriormente por ejemplo la(s) parte (s) tipo hoja se coloca (n) con su porción terminal localizada en ranuras correspondientes de un mandril adecuado (varilla de núcleo) . Se coloca un molde exterior de caucho sobre el montaje de mandril y se rellena un material cerámico refractario en el espacio cilindrico entre el mandril y el molde. Posteriormente, el molde que contiene el material refractario, incluyendo el medio de fijación, se presiona de forma isostática. El molde exterior entonces se remueve y el mandril, elaborado de al menos dos partes que corren de forma longitudinal, se remueve del producto compacto que dejan la(s) porción (es) exterior (es) de la(s) ancla (s) (partes tipo hoja) firmemente incrustadas en el cuerpo cerámico con sus extremidades interiores que se proyectan en las posiciones predeterminadas dentro del agujero cerámico. Durante la fabricación, se puede colocar además un miembro de sellado dentro del molde, como se describirá más adelante . En su modalidad más general, la invención se refiere a un dispositivo alargado de tapón para el control de flujo de metal fundido desde un recipiente, que contiene metal fundido, el dispositivo que comprende: un cuerpo elaborado de un material cerámico refractario, un agujero que tiene un eje longitudinal y que se extiende desde una superficie superior del cuerpo hacia abajo, el agujero que se ha equipado a lo largo de su longitud con al menos un ancla de un material diferente, fijada dentro del cuerpo entre la superficie superior del cuerpo y un extremo inferior del agujero y que sobresale radialmente en el agujero con sus superficies principales que corren de una manera predominantemente perpendicular al eje longitudinal del agujero, el ancla que se adapta para recibir y fijar un extremo roscado de una varilla metálica, insertada en el agujero. De acuerdo a una modalidad, la varilla metálica tiene al menos una sección parcialmente roscada en su extremo insertado. Esta sección roscada sirve, junto con el ancla (medio de fijación) para la unión de la varilla metálica dentro del agujero del cuerpo refractario. Será suficiente lograr la unión al proporcionar solo un ancla, tal como una parte tipo hoja, que se proyecta radialmente en el agujero. Durante la inserción de la varilla en el agujero, la sección roscada de la varilla correrá a lo largo de la parte de fijación y proporcionará la unión necesaria de la varilla dentro del cuerpo. Obviamente, este medio de fijación (de ancla) debe tener mejor una cierta longitud circunferencial. Puede extenderse sobre 20 ó < 360° de la pared interior del agujero o aun un pedacito más. Especialmente en casos donde se extiende más de
°, sería ventajoso arreglar la parte tipo hoja con una cierta declinación (gradiente descendiente o pendiente) con respecto al eje longitudinal del agujero, pero no es necesario para lograr la fijación deseada.
Esto es especialmente cierto si el ancla (parte tipo hoja) está más o menos en forma de anillo, es decir, que corre en la dirección circunferencial alrededor de la superficie del agujero interior por más de 180°, especialmente más de 270° y se debe inclinar cuando esta parte tiene una longitud de más de 360°. Es una posibilidad adicional un diseño de anillo a presión. En tanto que el ancla se puede diseñar como un anillo, por ejemplo, con una longitud circunferencial entre 270° y < 360° o hasta 450° ó 300° ó 400°, también es posible preparar el medio de fijación por al menos dos anclas, cada una diseñada tipo una sección de anillo y arreglada a una distancia una de la otra a lo largo de una línea helicoidal imaginaria. Una modalidad adicional proporciona un medio de fijación elaborado de tres anclas, cada una diseñada tipo una sección de anillo y arreglada a distancias iguales entre sí a lo largo de una línea helicoidal imaginaria. Aun, dos o tres espigas radialmente arregladas, separadas entre sí, pueden proporcionar el medio de fijación necesario para asegurar y retener la varilla dentro del cuerpo. Las anclas también se pueden arreglar a lo largo de un plano, perpendiculares al eje longitudinal de la varilla. Llega hacer claro de la explicación anterior que un medio de fijación de una pieza es la manera más conveniente para una fácil producción del dispositivo de tapón. El medio de fijación se puede elaborar de cualquiera material, diferente del material del cuerpo refractario y suficientemente fuerte para recibir de forma roscada la parte roscada de la varilla metálica correspondiente. Por ejemplo, el medio de fijación se puede elaborar de metal o cerámica especial, tal como un nitruro de silicio, circonia o alúmina. Como se explica anteriormente, se puede arreglar un miembro de sellado a lo largo de un agujero y mejora adyacente al medio de fijación. Esto mejora la hermeticidad entre el cuerpo cerámico y la varilla metálica, especialmente en casos donde se usa la varilla de tapón para introducir un gas en una masa fundida metalúrgica. Se puede colocar un miembro correspondiente de sellado (empaque) en una superficie de sellado, anular, correspondiente, proporcionada a una cierta abertura del agujero. Esta construcción se describe adicionalmente en la EP 1,135,227, Bl, la descripción de la cual se refiere a tal grado en la presente. También se puede arreglar el medio de sellado a lo largo de una pared circunferencial del agujero por abajo o por arriba de la parte de fijación y extendiéndose radialmente en el agujero y longitudinalmente a lo largo de una cierta longitud del agujero y adaptado para recibir la varilla de una manera roscada. En lo que toca a esta descripción, se hace referencia a "por arriba" "superior", "inferior", "hacia abajo", es decir, se refiere al uso típico de la varilla de tapón, que corre predominantemente de forma vertical. Como se describe anteriormente, una parte tipo hoja usada para la unión de la varilla correspondiente se arregla a lo largo de una posición longitudinal definida del cuerpo. Por lo tanto, cuando se introduce la varilla, la rosca exterior correspondiente de la varilla sobresaldrá hacia abajo sobre el medio de fijación. Esta parte sobresaliente de la sección de varilla roscada ahora se usa para proporcionar un sellado efectivo como se graba en el empaque. El material del empaque, que resiste altas temperaturas, penetra de este modo en las roscas y provoca un sellado muy efectivo y hermeticidad muy efectiva sobre la longitudes correspondientes para el sellado y la varilla respectivamente . El miembro de sellado puede tener una forma cilindrica. Debe sobresalir en el agujero. Esa parte del agujero, que recibe el miembro de sellado, se puede diseñar de forma cónica con su parte más pequeña en su extremo inferior. La varilla entonces puede tener un ancho más pequeño en su parte adyacente al miembro de sellado en comparación con su parte superior. El miembro de sellado se puede elaborar de cualquier material que resista altas temperaturas como se puedan presentar durante el uso del dispositivo de tapón. El grafito es uno de estos materiales. Un posible material es un material comprimido de grafito con una pureza > 95 % en peso de carbono y una densidad de aproximadamente 1.4 g/cm3. El sello puede tener la forma de un componente preformado que ya sea se puede insertar en el cuerpo de tapón inmediatamente antes de la instalación de la varilla de soporte de acero o co-formar con el cuerpo cerámico de la varilla de tapón durante el proceso de producción. De manera alternativa, el sello se puede crear durante el proceso de fabricación del tapón por compresión de un elemento de grafito que comprende ya sea polvo de grafito exfoliado o una espiral de una hoja de grafito, colocada alrededor de la herramienta de formación (molde) y entonces circundada por el material de cuerpo cerámico del tapón durante el proceso de llenado del molde. Es claro de la descripción anterior que si el dispositivo de tapón se usa para introducir gas, la varilla correspondiente se equipará con un agujero axial a través de la cual se alimenta el gas. El agujero correspondiente del cuerpo entonces se proporcionará con al menos una abertura en su extremo inferior. Se describirán detalles adicionales de la invención en las reivindicaciones secundarias y en otras partes de la solicitud. La invención ahora se describirá con respecto a una modalidad que no limita de ningún modo el alcance del dispositivo de tapón reivindicado. La única figura 1 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 10 refractario alargado con un agujero 12 central, colocado coaxialmente con respecto al cuerpo 10 y adaptado para recibir de forma fija una varilla metálica 14 para su unión a un mecanismo de levantamiento (no mostrado) . El agujero 12 es de una forma más o menos cilindrica y corre desde una superficie superior lOu del cuerpo 10 hacia abajo (flecha de D) y que termina en una abertura (no mostrada) en un extremo inferior del cuerpo 10. A una distancia d desde la superficie superior lOu, un anillo 16 metálico tipo hoja se integra en el material refractario del cuerpo 10. Este anillo sobresale radialmente en el agujero 12. Las superficies principales (superficie superior 16u; superficie inferior 161) corren de una manera predominantemente perpendicular a un eje longitudinal A del agujero 12. En la Figura 1, el anillo plano 16 se arregla tan que proporciona un ángulo a de aproximadamente 3 grados a un plano horizontal (perpendicular al eje longitudinal A) . Este ángulo se puede adaptar para corresponder a la separación de la forma de rosca de la varilla metálica 14. El anillo 16 no está cerrado sino que corta y encierra un ángulo de aproximadamente 330°. Los extremos libres del anillo están desalineados en la dirección longitudinal del agujero 12. Este anillo 16 tipo hoja, que sirve como un medio de fijación para la varilla 14, que se describirá más adelante, se ha co-prensado por el cuerpo 10. Sobresale (se proyecta) en el agujero 12 sobre un cierto ancho para recibir de forma roscada una rosca exterior 14t (simbolizada por puntos) de una parte inferior 141 de la varilla metálica 14, que puede tener un pasaje 14c longitudinal central (simbolizado por líneas) . Durante el montaje, la varilla metálica 14 se introduce en el agujero 12, volteando de este modo, de modo que la rosca exterior 14t de la varilla 14 acopla la parte 16p del anillo 16. La varilla 14 entonces se introduce adicionalmente en el agujero 12 (hacia abajo, flecha D) y entonces se acopla un empaque 18 cilindrico de grafito, arreglado sobre una longitud L enfrente de una pared interior 12w del agujero 12. Durante la introducción adicional de la varilla 14 en el agujero 12, el material de empaque penetra en los espacios de la rosca 14t, mejorando de este modo el sellado íntimo entre el cuerpo 10 y la varilla 14 en toda la longitud L. De acuerdo a la figura 1, la posición final de la varilla 14 dentro del agujero 12 se caracteriza por una pequeña saliente del extremo 14e roscado más allá del extremo del miembro 18 de sellado. De manera alternativa, la varilla roscada puede terminar dentro de la longitud del elemento de sellado. La superficie superior lOu del cuerpo 10 se une a tope a medios 20, 22 de bloqueo localizado de forma fija en la varilla metálica 14 de modo que la varilla 14 no pueda alargarse opuesta a la flecha D. Los medios 20, 22 de bloqueo tienen una forma tipo tuerca y se preparan con roscas interiores, que corresponden a la rosca 14t de la varilla 14. El tamaño limitado del medio de fijación tipo hoja (anillo 16 de corte) y su arreglo principalmente horizontal (radial) con respecto al diseño de tapón alargado garantiza la fijación segura de la varilla 14 en el agujero 12 aun cuando esté bajo alta carga térmica el medio de fijación metálico y la varilla metálica se expandirán igualmente en una dirección radial, con poca o ninguna expansión diferencial en la dirección axial. Junto con el empaque de sellado que sigue hacia abajo, el diseño descrito conduce a un dispositivo mejorado de tapón que se puede usar para diferentes propósitos, es decir, para alimentar un gas a lo largo del canal 14c del agujero 12 en una masa fundida metálica. El contacto íntimo entre el empaque 18 y la rosca exterior 14t de la varilla 14 son además responsables de la compresión radial del elemento de sellado y hermeticidad mejorada del dispositivo. La expansión de la varilla metálica a las temperaturas de servicio sirve para incrementar adicionalmente la eficiencia del sellado al mantener las fuerzas compresivas en el sello. En la dirección longitudinal, el medio de sellado debe ser tan pequeño como sea posible, puede tener un "espesor" de < 5 mm, < 3 mm, < 2 mm o a un < 1 mm, en tanto que la "longitud" (L) del medio de sellado puede ser > 10 mm, > 20 mm, > 30 mm ó > 40 mm. La invención incluye modalidades con dos o más medios de fijación en diferentes posiciones a lo largo del eje longitudinal de la varilla alargada de tapón, es decir, los medios de fijación respectivos tienen una distancia entre sí (en la dirección longitudinal del agujero) . La distancia puede estar en el intervalo de unos pocos centímetros o más. Estos distintos medios de fijación pueden coaxionar con una o más rocas exteriores de la varilla metálica .