PL191369B1 - Żerdź zatyczkowa - Google Patents

Abstract

Żerdź zatyczkowa ma środki do utrzymania docisku uszczelki (11), stykającej się z pierścieniową powierzchnią uszczelniającą korpusu (2) z materiału ogniotrwałego, gdy żerdź zatyczkowa nagrzewa się do wysokiej temperatury, przy czym środki te zapewnia tuleja (12), składająca się z materiału o wysokim współczynniku rozszerzalności cieplnej, której rozszerzanie się utrzymuje uszczelkę (11) w stanie ściśniętym.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest żerdź zatyczkowa do regulowania przepływu roztopionego metalu z zespołu wlewowego, przykładowo stali lub ż eliwa, z kadzi poś redniej albo kadzi odlewniczej, a bardziej szczególnie jednoczęściowa żerdź zatyczkowa, która ma elementy do połączenia z mechanizmem podnoszącym. W szczególnym przykładzie wykonania, żerdź zatyczkowa ma także urządzenie do wprowadzania gazu obojętnego, takiego jak argon, do kąpieli roztopionego metalu podczas operacji odlewania ciągłego.

Taka żerdź zatyczkowa i jej zastosowanie są dobrze znane, w szczególności z patentów Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4946083 i 5024422. Między innymi dokumenty te opisują jednoczęściową żerdź zatyczkowa, która może być przymocowana do mechanizmu podnoszącego, składającą się z:

a) wydłużonego korpusu z materiału ogniotrwałego, który ma wywiercony otwór usytuowany współosiowo względem korpusu żerdzi zatyczkowej i przystosowany do przyjęcia na stałe pręta metalowego w celu połączenia go z mechanizmem podnoszącym. Osiowy otwór korpusu z materiału ogniotrwałego ma powiększoną część z pierścieniową powierzchnią uszczelniającą, oddaloną od górnego końca korpusu z materiału ogniotrwałego.

Łącznik do zamocowania pręta metalowego jest na ogół usytuowany pomiędzy powiększoną częścią i dolnym końcem korpusu z materiału ogniotrwałego. Na swym dolnym końcu, korpus z materiału ogniotrwałego ma urządzenie do wprowadzania gazu do kąpieli roztopionego metalu, oraz

b) wydłużonego pręta metalowego zamocowanego do korpusu z materiału ogniotrwałego i mającego otwór osiowy, łączący się w swej dolnej części z otworem korpusu z materiału ogniotrwałego. Pręt ma kołnierz, mający pierścieniową powierzchnię uszczelniającą, zwróconą do pierścieniowej powierzchni uszczelniającej otworu korpusu z materiału ogniotrwałego, tak, aby utworzyć gazoszczelne połączenie. Górny koniec pręta jest przystosowany do połączenia z mechanizmem podnoszącym, co pozwala na pionowe przemieszczanie żerdzi zatyczkowej wewnątrz zespołu wlewowego, takiego jak kadź pośrednia.

Żerdź zatyczkowa jest połączona z przewodem doprowadzającym gaz, zazwyczaj, lecz niekoniecznie, przez górny koniec pręta. Łączniki do połączenia z korpusem z materiału ogniotrwałego są zwykle usytuowane pomiędzy kołnierzem i dolnym końcem pręta metalowego. Podczas użytkowania takiej żerdzi zatyczkowej, gaz doprowadzany do żerdzi zatyczkowej płynie w kierunku otworu osiowego korpusu z materiału ogniotrwałego w jego dolnej części. Dzięki urządzeniu do wprowadzania gazu do kąpieli roztopionego metalu, które korpus z materiału ogniotrwałego ma w swej dolnej części, żerdź zatyczkowa pozwala na wprowadzanie gazu do kąpieli roztopionego metalu. Skierowane ku sobie powierzchnie uszczelniające pręta i korpusu z materiału ogniotrwałego zapobiegają znaczącym stratom gazu obojętnego, jak również przenikaniu powietrza.

Aby jeszcze bardziej poprawić tę szczelność, zaproponowano umieszczenie pierścieniowej uszczelki gazoszczelnej pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi. Przykładowo, w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4946083 wskazano, że gdy założona jest uszczelka o grubości około 0,4 mm z materiału odpornego na wysoką temperaturę, np. z grafitu, powierzchnia przylegania pomiędzy pierścieniowymi powierzchniami uszczelniającymi pręta i korpusu z materiału ogniotrwałego zapewnia szczelność, zdolną wytrzymać ciśnienie do 3000 hPa.

Niemiecki opis patentowy DE-C1-4040189 ujawnia żerdź zatyczkową zbudowaną z wydłużonego korpusu ogniotrwałego z otworem osiowym i elementami (kołkiem blokującym) do przymocowania pręta metalowego, prętem metalowym oraz tuleją dociskającą uszczelkę pod działaniem nakrętki.

W przypadku urzą dzenia opisanego w tym dokumencie konieczne jest korygowanie lub dokładne ustalanie uszczelnienia podczas mocowania pręta montażowego do korpusu żerdzi zatyczkowej poprzez dokręcanie nakrętki do górnego końca żerdzi. Układ nie jest samouszczelniający i wymaga interwencji człowieka (dokręcanie nakrętki), gdy żerdź osiąga temperaturę końcową.

Uszczelnienie ma zasadnicze znaczenie dla odlewania wysokiej klasy roztopionego metalu. Przede wszystkim, konieczne jest zapewnienie dobrej ochrony przed przenikaniem powietrza, odpowiedzialnego za utlenianie metalu podczas zalewania. Z drugiej zaś strony, konieczne jest także zredukowanie do minimum strat gazu obojętnego (w przypadku wprowadzania gazu obojętnego przez żerdź zatyczkową), powodujących przekroczenie kosztów produkcji, których w żadnym wypadku nie można traktować jako niemających znaczenia.

Oprócz uzyskania szczelności zasadnicze znaczenie ma także to, aby połączenie żerdzi zatyczkowej z mechanizmem podnoszącym pozostawało możliwie jak najsztywniejsze.

PL 191 369 B1

Stosowany dotychczas układ nie dostarcza jednak całkowicie zadowalającego rozwiązania tych dwóch problemów.

W trakcie badań w tej dziedzinie stwierdzono, że problemy te spowodowane są faktem, że uszczelka pomiędzy dwiema zwróconymi ku sobie pierścieniowymi powierzchniami uszczelniającymi pręta i korpusu z materiału ogniotrwałego nie pozostaje dociśnięta podczas całej operacji zalewania.

Uważa się, że ten zanik docisku na uszczelkę jest spowodowany, co najmniej częściowo, różnicą współczynników rozszerzalności cieplnej poszczególnych materiałów, z jakich składa się żerdź zatyczkowa. W szczególności, pod wpływem temperatury, do jakiej nagrzewa się żerdź zatyczkowa podczas zalewania, pręt metalowy rozszerza się silnie w porównaniu z korpusem z materiału ogniotrwałego. Ta bardziej znacząca rozszerzalność pręta metalowego powoduje w rezultacie rozdzielanie pierścieniowych powierzchni uszczelniających pręta metalowego i korpusu z materiału ogniotrwałego, a w efekcie zmniejszenie nacisku na uszczelkę, ze wszystkimi związanymi z tym ujemnymi konsekwencjami.

Istota wynalazku polega na tym, że żerdź zatyczkowa, składająca się z wydłużonego korpusu z materiału ogniotrwałego, mają cego otwór usytuowany współosiowo wzglę dem korpusu ż erdzi zatyczkowej i przystosowany do przyjęcia na stałe pręta metalowego w celu połączenia go z mechanizmem podnoszącym, przy czym osiowy otwór korpusu z materiału ogniotrwałego ma powiększoną część z pierścieniową powierzchnią uszczelniającą, oddaloną od górnego końca korpusu i łącznik do zamocowania tego pręta metalowego oraz z wydłużonego pręta metalowego przymocowanego do korpusu, przystosowanego na swym górnym końcu do połączenia z mechanizmem podnoszącym do pionowego przemieszczania żerdzi zatyczkowej wewnątrz zespołu wlewowego, a także z tulei mającej na swym dolnym końcu powierzchnię uszczelniającą skierowaną w kierunku do powierzchni uszczelniającej korpusu, przy czym żerdź zatyczkowa ma na pręcie metalowym zespół blokujący tę tuleję, charakteryzuje się tym, że tuleja jest wykonana z materiału o współczynniku cieplnym większym od współczynnika cieplnego pręta metalowego i ma długość wystarczającą, do co najmniej kompensowania efektu wydłużenia pręta metalowego, przy jej rozszerzeniu pod wpływem temperatury, do której żerdź jest doprowadzana podczas zalewania.

Według wynalazku, docisk uszczelki, gdy żerdź zatyczkowa nagrzewa się do wysokiej temperatury, zapewnia się dzięki tulei mającej postać walca otwartego na końcach, który jest zamontowany na pręcie metalowym.

Korzystnie, żerdź zatyczkowa ma, co najmniej jedną pierścieniową uszczelkę, stykającą się z powierzchnią uszczelniają c ą korpusu.

Korzystnie, pierścieniowa uszczelka albo uszczelki, jak również powierzchnia uszczelniająca korpusu są płaskie.

Zgodnie z korzystnym wariantem wynalazku ten pręt metalowy ma otwór osiowy, łączący się w swej dolnej części z otworem korpusu.

Korzystnie, ten korpus ma na swym dolnym końcu urządzenie do wprowadzania gazu do kąpieli roztopionego metalu.

Ponadto, korzystnie tuleja wystaje na górnym końcu korpusu.

Zgodnie z wynalazkiem tuleja jest wykonana z materiału mającego współczynnik rozszerzalności cieplnej o wartości 1,1-3 razy większej od współczynnika rozszerzalności cieplnej materiału pręta metalowego.

Korzystnie, tuleja jest wykonana ze stali nierdzewnej, pręt metalowy jest wykonany ze stali, a korpus jest wykonany z materiału ogniotrwałego uzyskanego w procesie prasowania izostatycznego.

Korzystnie żerdź zatyczkowa według wynalazku ma zespół blokujący tuleję na pręcie metalowym stanowiący kołnierz.

Korzystnie, ten zespół blokujący tuleję na pręcie metalowym stanowi nakrętka, wkręcona na stałe na pręt metalowy, przy czym o tę nakrętkę opiera się tuleja.

Ponadto korzystnie zespół blokujący tuleję na pręcie metalowym stanowi również co najmniej jedna podkładka.

Korzystnie ta podkładka ma wewnętrzny stopień, przy czym tuleja wystaje na końcu korpusu, w stanie, gdy podkładka styka si ę z górnym ko ń cem korpusu.

Żerdź zatyczkowa według wynalazku ma ponadto blokadę dla pręta metalowego w korpusie.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia górny koniec żerdzi zatyczkowej, w częściowym przekroju.

PL 191 369 B1

Jak pokazano, żerdź zatyczkowa 1 składa się z wydłużonego korpusu 2 z materiału ogniotrwałego, z osiowym otworem 3 biegnącym od górnego końca 4 do dolnego końca (niepokazanego). Na swym dolnym końcu, korpus z materiału ogniotrwałego może być wyposażony, bądź też nie, w urządzenie do wprowadzania gazu obojętnego (niepokazane) do kąpieli roztopionego metalu. Korpus z materiału ogniotrwałego ma także łącznik 5 do zamocowania pręta metalowego 6. Pręt metalowy 6 może także mieć osiowy otwór 7, który biegnie przezeń od jego górnego końca 8 w kierunku jego dolnego końca 9. Górny koniec 8 może być skonstruowany w sposób umożliwiający przyjęcie złącza (niepokazanego) do doprowadzania gazu obojętnego. Ponadto górny koniec 8 jest przystosowany do zamocowania do mechanizmu podnoszącego (niepokazanego). Gaz pod ciśnieniem, taki jak argon, może być wprowadzony do otworu osiowego 3 korpusu z materiału ogniotrwałego za pomocą pręta 6 i jest wprowadzany do ką pieli metalu przez dolny koniec korpusu z materiału ogniotrwałego.

Korpus 2 z materiału ogniotrwałego ma powiększoną część 10, która tworzy powierzchnię uszczelniającą. Dwie uszczelki grafitowe (11 i 11') spoczywają na tej powierzchni i tym samym zapobiegają przenikaniu powietrza albo stratom gazu obojętnego. Tuleja 12 zamontowana jest na pręcie 6 i utrzymuje uszczelki 11 i 11' w stanie ś ciś nię tym. Górny koniec 13 tulei jest zablokowany za pomocą podkładki 14, ją samą zaś utrzymuje nakrętka 15.

Korzystnie, podkładka 14 styka się z górnym końcem 4 korpusu 2 z materiału ogniotrwałego, w celu nadania zespołowi wię kszej sztywnoś ci.

Tuleja 12 wykonana jest z materiału mającego większy współczynnik rozszerzalności cieplnej niż pręt metalowy 6 i ma dostateczną długość, aby, pod wpływem temperatury, do jakiej nagrzewa się żerdź zatyczkowa podczas zalewania, rozszerzała się na tyle w kierunku dolnego końca pręta metalowego, aby co najmniej skompensować wpływ rozszerzalności pręta metalowego.

Korzystnie, rozszerzalność tulei kompensuje dokładnie rozszerzalność pręta metalowego.

Jak uwidoczniono na fig. 1, tuleja 12 może wystawać na górnym końcu 4 korpusu 2 z materiału ogniotrwałego, jeżeli jest to konieczne, aby zapewnić dostateczną długość tulei. W tym przypadku korzystna jest podkładka 14 zaopatrzona w stopień 16, która pozwala na zablokowanie tulei 12, zapewniając równocześnie styk pomiędzy podkładką 14 i górnym końcem 4 korpusu 2 z materiału ogniotrwałego.

Tuleja 12 zamontowana jest na pręcie metalowym 6 i tworzy z nim swobodny zespół, obracając się, ślizgając albo tylko ślizgając. Górny koniec 13 tulei 12 po prostu opiera się o zespół blokujący tuleję zamocowany na stałe na pręcie metalowym 6 tak, że pod wpływem rozszerzalności, tuleja 12 wydłuża się osiowo tylko w kierunku przeciwnym do tego zespołu blokującego.

Według jednym przykładzie wykonania wynalazku, zespół blokujący stanowi kołnierz podobny do opisanego w porównywanych w opisach patentowych Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4946083 i 5024422.

Materiał, z którego wykonano tuleję, jak również jej długość, dobrane są w funkcji wymiarów i materiałów pręta metalowego (zwykle wykonywanego z pręta stalowego o współczynniku rozszerzalności cieplnej rzędu 12,5 μm°C^-1) oraz korpusu z materiału ogniotrwałego (zwykle z materiału ogniotrwałego uzyskanego w procesie prasowania izostatycznego, o współczynniku rozszerzalności cieplnej równym 3-6 μm C^-1).

Materiał, z którego jest wykonana tuleja, jak również jej długość można łatwo dobrać w oparciu o podstawowe prawa fizyki cieplnej.

Poczynając od tak określonych wartości w pierwszym przybliżeniu, a które zwykle daje doskonałe wyniki, można następnie bez większych trudności optymalizować system na zasadzie prób i błędów.

Według wynalazku, tuleja jest wykonana z materiału o wysokim współczynniku rozszerzalności cieplnej, zdolnego wytrzymać wysokie temperatury, jakich działaniu poddana jest żerdź zatyczkowa podczas zalewania. Przykładowo można stosować materiały ogniotrwałe o wysokim współczynniku rozszerzalności cieplnej, takie jak spiekany tlenek magnezu. Korzystne materiały do tego zastosowania znajduje się wśród metali albo stopów metali o wysokim współczynniku rozszerzalności cieplnej i mających wysoką temperaturę topnienia.

Zwykle na tuleję dobiera się materiał mający współczynnik rozszerzalności cieplnej o wartości większej 1,1-3 razy od współczynnika rozszerzalności cieplnej pręta stalowego.

Stal nierdzewna (np. mająca współczynnik rozszerzalności cieplnej rzędu 17,5 μm°C^-1) jest szczególnie odpowiednia, gdy pręt stalowy jest wykonany ze stali mającej współczynnik rozszerzalności cieplnej rzędu 12 μm°C^-1.

PL 191 369 B1

Korpus z materiału ogniotrwałego formuje się zwykle z konwencjonalnego materiału ogniotrwałego, takiego jak powszechnie używany materiał ogniotrwały na bazie tlenku aluminium, ditlenku krzemu i grafitu. Typową kompozycją jest np., w procentach wagowych, Al2O3: 53%, SiO2: 13%, węgiel: 31% i około 3% innych materiałów, takich jak ditlenek cyrkonu ZrO2. Pierścieniową, gazoszczelną uszczelkę 11 korzystnie umieszcza się pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi. Zwykle stosuje się uszczelkę grafitową o grubości 0,2-30 mm.

Zgodnie z wynalazkiem, stosuje się jedną lub większą liczbę takich uszczelek. Pierścieniową uszczelkę (uszczelki) umieszcza się pomiędzy dolną powierzchnią tulei i powierzchnią uszczelniającą korpusu z materiału ogniotrwałego.

Najlepsze wyniki zaobserwowano, gdy umieszczono dwie uszczelki grafitowe o grubości 9 mm każda pomiędzy dolną powierzchnią tulei i powierzchnią uszczelniającą korpusu z materiału ogniotrwałego.

W korzystnym przykładzie wykonania wynalazku, powierzchnia uszczelniają ca utworzona przez powiększoną część 10 korpusu 2 z materiału ogniotrwałego, jak również uszczelka (i) 11 (i 11') jest (są) płaska (płaskie). W rzeczy samej stwierdzono, że w tym przypadku stwierdza się o wiele lepsze zachowanie docisku uszczelki (uszczelek) 11 (i 11'). W jednym przykładzie realizacji, stosuje się korpus z materiału ogniotrwałego wytworzony w technologii prasowania izostatycznego (współczynnik rozszerzalności cieplnej 3,6 μm°C^-1) i uszczelki mające grubość 9 mm każda. Pręt metalowy wykonuje się z pręta stalowego o współczynniku rozszerzalności cieplnej 12,5 μm°C^-1.

Jeżeli stosuje się tuleję stalową o współczynniku rozszerzalności cieplnej 17,5 μm°C^-1, obliczono, że tuleja powinna mieć długość około 61 mm.

W innym przykładzie wykonania wynalazku, docisk uszczelki, gdy żerdź zatyczkowa nagrzewa się do wysokiej temperatury zostaje zachowany dzięki usytuowaniu punktu zamocowania pręta metalowego do korpusu z materiału ogniotrwałego w punkcie usytuowanym pomiędzy powierzchnią uszczelniającą i górną częścią pręta. W tym przypadku, im większe rozszerzanie, tym silniej uszczelka ściskana jest przez pręt metalowy, który rozszerza się pod wpływem temperatury, do jakiej nagrzewa się żerdź zatyczkowa podczas zalewania.

W kolejnym przykładzie wykonania wynalazku, zapewniono to, że pręt metalowy od korpusu z materiału ogniotrwałego nie podlega oddzieleniu. Tak więc, jeżeli zastosowano mającą gwintowany otwór osiowy wkładkę metalową, zaprasowaną w korpusie z materiału ogniotrwałego, jako łącznik do zamocowania pręta metalowego w korpusie z materiału ogniotrwałego, zapobiegnie się odkręceniu pręta od wkładki zaopatrując go w parę płaskich powierzchni równoległych w punkcie wyjścia z korpusu z materiału ogniotrwałego i opierając na tych powierzchniach jednolity rozwidlony kołnierz, połączony na stałe z korpusem z materiału ogniotrwałego. To stałe połączenie można zrealizować za pomocą kołka wprowadzonego w otwór wykonany w rozwidlonym kołnierzu i biegnący aż do wnętrza korpusu z materiału ogniotrwałego. W tym przypadku podkładka według niniejszego wynalazku może korzystnie spełniać także funkcję rozwidlonego kołnierza.

W innym przykładzie wykonania wynalazku, korpus z materiału ogniotrwałego, wchodzący w skład żerdzi zatyczkowej, składa się co najmniej częściowo z materiału nieprzepuszczalnego dla gazów. Całkiem szczególnie, korpus z materiału ogniotrwałego składa się z co najmniej dwóch różnych materiałów ogniotrwałych, przy czym pierwsza część składająca się z mieszaniny względnie nieprzepuszczalnej dla gazów otacza obszar, w którym usytuowana jest uszczelka, zaś druga część składa się z materiału ogniotrwałego, odpornego na korozję powodowaną przez roztopiony metal.

Claims (13)

1. Żerdź zatyczkowa, składająca się z wydłużonego korpusu z materiału ogniotrwałego, mającego otwór usytuowany współosiowo względem korpusu żerdzi zatyczkowej i przystosowany do przyjęcia na stałe pręta metalowego w celu połączenia go z mechanizmem podnoszącym, przy czym osiowy otwór korpusu z materiału ogniotrwałego ma powiększoną część z pierścieniową powierzchnią uszczelniającą, oddaloną od górnego końca korpusu i łącznik do zamocowania tego pręta metalowego oraz z wydłużonego pręta metalowego przymocowanego do korpusu, przystosowanego na swym górnym końcu do połączenia z mechanizmem podnoszącym do pionowego przemieszczania żerdzi zatyczkowej wewnątrz zespołu wlewowego, a także z tulei mającej na swym dolnym końcu powierzchnię uszczelniającą skierowaną w kierunku do powierzchni uszczelniającej korpusu, przy czym żerdź zatyczkowa ma na pręcie metalowym zespół blokujący tę tuleję, znamienna tym, że tuleja (12)

PL 191 369 B1 jest wykonana z materiału o współczynniku cieplnym większym od współczynnika cieplnego pręta metalowego (6) i ma długość wystarczająco do co najmniej kompensowania efektu wydłużenia pręta metalowego (6), przy jej rozszerzeniu pod wpływem temperatury, do której żerdź jest doprowadzana podczas zalewania.

2. Żerdź według zastrz. 1, znamienna tym, że ma co najmniej jedną pierścieniową uszczelkę (11, 11'), stykającą się z powierzchnią uszczelniającą (10) korpusu (2).

3. Żerdź według zastrz. 2, znamienna tym, że pierścieniowa uszczelka albo uszczelki (11, 11'), jak również powierzchnia uszczelniająca (10) korpusu (2) są płaskie.

4. Żerdź według zastrz. 1, znamienna tym, że ten prę t metalowy (6) ma otwór osiowy (7), łączący się w swej dolnej części (9) z otworem (3) korpusu (2).

5. Żerdź według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienna tym, że ten korpus (2) ma na swym dolnym końcu urządzenie do wprowadzania gazu do kąpieli roztopionego metalu.

6. Żerdź według zastrz. 1, znamienna tym, że tuleja (12) wystaje na górnym końcu (4) korpusu (2).

7. Ż erdź według zastrz. 1 albo 6, znamienna tym, ż e tuleja (12) jest wykonana z materiału mającego współczynnik rozszerzalności cieplnej o wartości 1,1-3 razy większej od współczynnika rozszerzalności cieplnej materiału pręta metalowego (6).

8. Ż erdź według zastrz. 1 albo 7, znamienna tym, ż e tuleja (12) jest wykonana ze stali nierdzewnej, pręt metalowy jest wykonany ze stali, a korpus (2) jest wykonany z materiału ogniotrwałego uzyskanego w procesie prasowania izostatycznego.

9. Żerdź według zastrz. 1, znamienna tym, że zespół blokujący tuleję (12) na pręcie metalowym (6) stanowi kołnierz.

10. Żerdź według zastrz. 1 albo 9, znamienna tym, że zespół blokujący tuleję (12) na pręcie metalowym (6) stanowi nakrętka (15), wkręcona na stałe na pręt metalowy (6), przy czym o tę nakrętkę opiera się tuleja (12).

11. Żerdź według zastrz. 10, znamienna tym, że zespół blokujący tuleję (12) na pręcie metalowym (6) stanowi również co najmniej jedna podkładka (14).

12. Żerdź według zastrz. 11, znamienna tym, że podkładka (14) ma wewnętrzny stopień tak, że tuleja (12) może wystawać na końcu (4) korpusu (2), podczas gdy podkładka (14) styka się z górnym końcem (4) korpusu (2).

13. Żerdź według zastrz. 1, znamienna tym, że ma ponadto blokadę dla pręta metalowego (6) w korpusie (2).