PL199731B1 - Ogniotrwała kształtka ceramiczna - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest ogniotrwa la kszta ltka ceramiczna, która mo ze mie c posta c na przyk lad garnka odbojowego albo koryta wytopo- wego, maj aca nast epuj ace cechy: - dno (10), co najmniej dwie scianki (12, 14), - scianki (12, 14) rozpo scieraj a si e od przeciwleg lych fragmentów (101, 10r) dna (10) tak, ze ich powierzchnie wewn etrzne, przynajmniej cz esciowo (12.1, 12.3, 12.4), przebiegaj a pod k atem 0 i < 90° do p laszczyzny E-E prostopad lej do dna (10), i z odwrotnym nachyleniem, - mi edzy wolnymi zako nczeniami (12r, 14r) scianek (12, 14) jest ukszta ltowany otwór wylotowy (O), - mi edzy dnem (10) i otworem wylotowym (O) istnieje co najmniej jedno miejsce (11), w którym odst ep (d min , q min ) scianek (12, 14) jest mniejszy ni z w strefach (12u, 14u; 12o, 14o) przylegaj acych do otworu wylotowego (O) i dna (10). PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest ogniotrwała kształtka ceramiczna, która może mieć postać na przykład garnka odbojowego albo koryta wytopowego.

Roztopiony metal, który na przykład po uszlachetnianiu jest odlewany do kadzi pośredniej, z powodu dość dużej prędkości przepływu (np. 3 m/s) powoduje znaczne obciążenie mechaniczne strefy ogniotrwałego wyłożenia kadzi pośredniej, na którą pada roztopiony metal. Poza tym dochodzi do turbulencji przynajmniej w sąsiedztwie miejsca padania. Energia kinetyczna strumienia roztopionego metalu wynosi przykładowo 2 do 10 Ws/kg.

Żeby ograniczyć zużycie regularnego wyłożenia ogniotrwałego, znane jest wzmacnianie strefy padania wytopu za pomocą tak zwanej płyty odbojowej.

Taka płyta odbojowa może być wykonana z bardzo odpornych na ścieranie materiałów ogniotrwałych.

Ponadto znane jest wykorzystanie tak zwanych garnków odbojowych (WO 00/06324, WO 97/37799, EP 0 729 393 B1, EP 0 790 873 B1).

Dno takiego garnka odbojowego odpowiada w zasadzie płycie odbojowej. Znane garnki odbojowe są ukształtowane tak, że na górnym zakończeniu, a więc w miejscu doprowadzania wytopu, ale także jego odpływu z garnka, mają zwężony przekrój. W ten sposób powstaje „podcięty profil.

U podstaw wynalazku leży zadanie zoptymalizowania konstrukcji takiej ogniotrwałej kształtki ceramicznej, żeby można było rozwiązać przynajmniej jedno, korzystnie wszystkie z poniższych zadań:

- zmniejszenie zużycia,

- celowe prowadzenie roztopionego metalu,

- zminimalizowanie turbulencji przepł ywu,

- uł atwienie wytwarzania.

Zadanie to rozwiązuje się w wynalazku poprzez zaprojektowanie takiej kształtki, która umożliwia po pierwsze zmianę kierunku dopływającego metalu i po drugie zredukowanie energii kinetycznej tego metalu.

Przy tym zmiana kierunku przepływu powinna być spowodowana przez boczne ograniczenie kształtki. Do redukcji energii kinetycznej przewiduje się w wynalazku specjalne ukierunkowanie / nachylenie odpowiednich powierzchni wewnętrznych ścianek ograniczających.

Na przykład poprzez stożkowe w przekroju pionowym uformowanie kształtki (przez „stożkowy rozumie się wewnętrzny przekrój kształtki, do którego dostaje się wytop) można zredukować energię kinetyczną na zasadzie działania dyfuzora.

Sposób i zakres redukcji energii zależą od kąta nachylenia wewnętrznych powierzchni ścianek.

Te aspekty dotyczą kształtek w postaci koryta, a więc mających dno i dwie naprzeciwległe, boczne ścianki ograniczające. Jednak rozważania te odnoszą się też do kształtek garnkowych, i to niezależnie od geometrii (poziomego) przekroju poprzecznego, a więc na przykład do garnków odbojowych o mniej lub bardziej kołowym, owalnym lub prostokątnym przekroju wewnętrznym.

Zgodna z wynalazkiem ogniotrwała kształtka ceramiczna mająca dno i co najmniej dwie ścianki, w najbardziej ogólnej odmianie realizacji wynalazku charakteryzuje się tym, ż e ś cianki rozpościerają się od przeciwległych fragmentów dna tak, że ich powierzchnie wewnętrzne, co najmniej w określonych strefach, przebiegają pod kątem > 0 i < 90° do płaszczyzny prostopadłej do dna, i z odwrotnym nachyleniem, przy czym między wolnymi zakończeniami ścianek jest ukształtowany otwór wylotowy, a mi ę dzy dnem i otworem wylotowym istnieje co najmniej jedno miejsce, w którym odst ę p ś cianek jest mniejszy niż w strefach przylegających do otworu wylotowego i dna.

Przy tym odstęp wewnętrznych powierzchni ścianek w strefie ich wolnych zakończeń oraz dennych zakończeń jest większy niż w co najmniej jednym miejscu między tymi zakończeniami.

Wspomniany przebieg wewnętrznych powierzchni ścianek powoduje powstanie czegoś w rodzaju „przewężenia między zakończeniem po stronie dna (a więc tam, gdzie pada odlewany wytop), i przeciwległym otwartym zakończeniem (gdzie znajduje się wylot wytopu). To „przewężenie powoduje konstrukcyjny i funkcjonalny podział kształtki.

W strefie między dnem i przewężeniem następuje efektywna redukcja energii kinetycznej wytopu. Poza tym eliminuje się tu niekontrolowane rozbryzgiwanie roztopionego metalu.

W strefie mię dzy przewężeniem i (górnym) wylotem powstaje coś w rodzaju dyfuzora. Poszerzenie przekroju u wylotu pozwala uniknąć wzajemnego oddziaływania na siebie odpływającego wytoPL 199 731 B1 pu z doprowadzanym (w środku) strumieniem roztopionego metalu. Inaczej mówiąc: dobranie wymiarów powinno być takie, aby zapewnić spokojny odpływ roztopionego metalu.

Stosuje się różne rozwiązania konstrukcyjne, w zależności od ilości, lepkości, temperatury i/lub prędkości przepływu wytopu. Na przykład, celem wytracenia energii kinetycznej przewiduje się dostatecznie dużej strefy dennej, żeby po pierwsze uzyskać wymaganą redukcję energii kinetycznej wytopu, a po drugie ukierunkować w pożądany sposób strumień wytopu. U wylotu kształtki, przynajmniej na obrzeżu, pożądany jest możliwie laminarny, spokojny przepływ wytopu.

Wspomniany kąt nachylenia korzystnie wynosi 10 - 80°, a w innym przykładzie wykonania 30 - 60°.

Gdy odpowiednie urządzenie (kształtka) jest już napełnione roztopionym metalem, to wystarczy w zasadzie opisane nachylenie wewnętrznych powierzchni ścianki. W przypadku koryta tworzy się przynajmniej powyżej przewężenia komora przepływowa dla wytopu mająca w przekroju kształt litery „V. Podczas napełniania tej komory roztopiony metal może rozbryzgiwać się w niekontrolowany sposób, zależnie od kąta padania, zanim uniesie się od dna w górę i wypłynie z kształtki. Eliminuje się to poprzez wspomniane przewężenie przekroju między ściankami (powyżej dna).

Celem wyeliminowania niekontrolowanej zmiany kierunku przepływu przewiduje się w korzystnym przykładzie wykonania wynalazku takie ukształtowanie, że każda powierzchnia wewnętrzna ma kilka stref o różnych kątach nachylenia. W ten sposób na wewnętrznych ściankach kształtki można uformować przeszkody, zwalniacze przepływu albo mające niesymetryczną geometrię prowadnice strumienia.

Przy tym korzystny jest przykład wykonania wynalazku, zgodnie z którym każda powierzchnia wewnętrzna ma kilka stref o różnych kątach nachylenia, a strefa sąsiadująca z wolnym zakończeniem ścianek ma kąt nachylenia większy niż kąt nachylenia strefy sąsiadującej z dnem kształtki. W każdym razie wewnętrzny przekrój kształtki powinien zwiększać się ku jej wolnemu, otwartemu zakończeniu.

Poszczególne nachylone (także pod różnymi kątami) strefy ścianki mogą przechodzić w siebie bezpośrednio (w sposób ciągły), ale istnieje też możliwość ukształtowania wewnętrznych powierzchni ścianek z piłokształtnym w przekroju profilem, dzięki czemu powstają na ściance „podcięte strefy, które zwalniają przepływ roztopionego metalu. Wspomniane przewężenie może być utworzone przez taką „zębatą geometrię.

Korzystnie wewnętrzne powierzchnie ścianek mogą mieć także zaokrąglone, zwrócone ku sobie fragmenty profilu albo rowkowe zagłębienia.

Korzystnie w przypadku ukształtowania korytowego wewnętrzne powierzchnie naprzeciwległych ścianek mogą mieć lustrzaną symetrię i cała kształtka może mieć ewentualnie układ symetryczny.

Korzystnie kształtka może mieć postać otwartego ku górze koryta.

Oprócz wspomnianego kształtu korytowego można też uformować kształtkę w postaci garnka.

Krzywiznowe ukształtowanie powierzchni ścianek pozwala je połączyć na końcach, dzięki czemu powstaje zamknięta kształtka na przykład o owalnym lub okrągłym przekroju wewnętrznym (i/lub przekroju zewnętrznym). Również mogą być przewidziane co najmniej dwie następne ścianki, które łączą obie już opisane ścianki tworząc garnek o kształcie prostokątnym lub wielokątnym.

Z punktu widzenia mechaniki przepływu preferowane są kształty kołowo-symetryczne.

Przy tym obwodowa ścianka wewnętrzna może mieć wyprofilowania śrubowe, gwintowe albo spiralne.

Korzystnie stosunek wysokość : szerokość ograniczonego ściankami wnętrza kształtki może wahać się w szerokim zakresie. Z reguły wynosi on > 2:1 do 1:4, ale może też dochodzić do 1:15. To samo dotyczy stosunku wysokość : maksymalna średnica w przypadku opisanej geometrii garnkowej.

W szczególnoś ci w przypadku opisanych przykł adów wykonania wynalazku, w których przekrój u wylotu wytopu jest większy niż w pobliż u dna kształtki, można z reguły wytwarzać kształtkę jako jedną całość (jednoczęściowo), na przykład przez odlewanie lub prasowanie. Ewentualne podcięcia mogą być ukształtowane w produkcji na przykład poprzez wypalane wypełnienia.

Dobierając różne kąty nachylenia lub też wyprofilowania ścianek wewnętrznych można uformować dokładnie i indywidualnie kształtkę nadając jej wymagane właściwości uzależnione od ilości, prędkości przepływu, średnicy strumienia napływającego metalu. Przez to można także ukierunkować przepływ wytopu i zredukować jego energię kinetyczną.

Między powierzchniami kierującymi przepływem, w szczególności powierzchniami nachylonymi do pionu, mogą znajdować się też łączące powierzchnie poziome (równoległe do dna), pionowe (prostopadłe do dna), nachylone pod kątem > 90° do pionu albo z krzywiznowym profilem.

PL 199 731 B1

Przedmiot wynalazku jest ukazany w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 do 4 przedstawiają schematycznie i w przekroju poprzecznym różne odmiany wykonania kształtki według wynalazku.

Takie same lub spełniające identyczną funkcję elementy oznaczono na rysunku takimi samymi odnośnikami.

W przykł adzie wykonania wynalazku pokazanym na fig. 1 ujawniono moż liwą podstawową geometrię kształtki z dnem 10. Dwie ścianki 12, 14 swoimi strefami 12u, 14u rozpościerają się od fragmentów 101, 10r dna 10 w tym samym kierunku (mianowicie do góry), jednak z odwrotnym nachyleniem, przy czym najpierw schodzą się ku sobie (aż do minimalnego odstępu dmin) i następnie rozchodzą się (strefy 12o, 14o ścianki).

Na fig 1 pokazano maksymalny odstęp d dolnych stref 12u, 14u ścianek 12, 14 i odstęp D górnych stref ścianek 12, 14 w obszarze ich wolnych zakończeń 12r, 14r, przy czym D i d > dmin i D > d. Ścianki 12, 14 przebiegają jak w odbiciu lustrzanym względem pomyślanej płaszczyzny symetrii E-E. Kąt nachylenia α dolnych stref ścianek 12, 14 względem strony górnej dna 10 wynosi około 70°. Górne strefy ścianek 12, 14 przebiegają pod kątem β równym około 20° względem płaszczyzny równoległej do płaszczyzny E-E.

W rezultacie ograniczone ś ciankami wnę trze R kształ tki ma w przekroju kształ t podobny do klepsydry.

Roztopiony metal doprowadzany w kierunku strzałki Z1 dochodzi do dna 10 i jest zawracany w kierunku strzał ki Z2, po czym przepł ywa do góry przy ściance w kierunku strzał ki Z3 i odpł ywa przez zewnętrzne wolne zakończenie 12r, 14r ścianek.

Między dnem 10 i wspomnianym przewężeniem 11 następuje redukcja energii kinetycznej doprowadzanego wytopu. Jednocześnie to przewężenie poprzeczne pozwala wyeliminować niekontrolowane rozbryzgiwanie wytopu. Na odcinku między przewężeniem 11 i górnym otworem O (między wewnętrznymi powierzchniami wolnych zakończeń 12r, 14r) tworzy się strefa dyfuzorowa, w której wytop może swobodnie odpływać przy ściance z kształtki strumieniem laminarnym, natomiast w środku może dopływać do kształtki nowy roztopiony metal (zgodnie ze strzałką Z1).

Kształtka według fig. 1 ma postać koryta.

To samo dotyczy kształtki według fig. 2, która jest również ukształtowana w lustrzanej symetrii względem płaszczyzny E-E, tak że dalszą geometrię objaśnia się tylko w odniesieniu do (lewej) ścianki 12, a wywody te dotyczą analogicznie ścianki 14.

Od dna 10 przebiega najpierw pierwsza strefa 12.1 ścianki wewnętrznej pod kątem α około 45° do płaszczyzny E-E. Z tą strefą łączy się przebiegająca równolegle do dna 10 strefa 12.2, która przebiega do wewnątrz (w kierunku przeciwległej ścianki 14). Z tą strefą 12.2 łączy się następna strefa 12.3, która przebiega pod kątem β około 40° do płaszczyzny E-E dochodząc do górnego wolnego zakończenia 12r ścianki 12. Tak więc między strefami 12.2 i 12.3 odstęp dmin ścianek jest najmniejszy.

W rezultacie wnętrze R kształtki między dnem 10 i zewnę trznym wolnym zakończeniem 12r, 14r ma zasadniczo kształt litery „V, jednak z podciętą strefą 20. Powoduje to kontrolowaną zmianę kierunku przepływu roztopionego metalu. Następuje zawirowanie odchylonego strumienia wytopu, który gubi swój kierunek przepływu. Energia kinetyczna jest wytracana w znacznym stopniu tuż po nalaniu wytopu i potem.

Przykład wykonania wynalazku według fig. 3 jest podobny do przykładu z fig. 2, przy czym ukazana tu kształtka ma postać kołowo-symetrycznego garnka. Chodzi tu więc o kształtkę w rodzaju garnka odbojowego, w którym symetria kołowa odnosi się do pomyślanej osi wzdłużnej M-M.

W przykł adzie wykonania pokazanym na fig. 3 wewnę trzna ś cianka 12 mię dzy strefami 12.1 i 12.3 może charakteryzować się następną skośną strefą 12.4 i następną przebiegającą poziomo strefą 12.5, w wyniku czego powstaje następna, podcięta strefa 22. Kąt nachylenia γ strefy 12.4 jest większy od kąta nachylenia β strefy 12. 3.

W myśl wynalazku ukazaną na fig. 3 przeciwległą powierzchnię ś cianki można oznaczyć jako ściankę 14. Z technicznego punktu widzenia chodzi oczywiście o taką samą ściankę 12 przedstawioną po lewej stronie, gdyż wynika to z opisanej geometrii garnka.

Dno 10 ma wklęsłą powierzchnię 10o, ale mogłoby być także odwrotnie wybrzuszone.

Figura 4 ukazuje następny przykład wykonania garnka odbojowego, przy czym z dolną, nachyloną strefą 12.1 ścianki łączy się strefę 12.6 ścianki, która przebiega prostopadle do dna 10 i za którą następuje wypukła strefa 12.7 ścianki wewnętrznej, która rozszerza się na zewnątrz w kierunku wolnego zakończenia 12r garnka odbojowego, tak że garnek ten na górnym wolnym zakończeniu ma

PL 199 731 B1 wewnętrzną średnicę Q znacznie większą niż w strefie powierzchni odbojowej 24 dna 10 (średnica q). Znów między strefą dna 10 i otworem wylotowym O jest miejsce o najmniejszym przekroju poprzecznym wnętrza R (qmin).

Również w ukształtowaniu według fig. 4 istnieje obwodowa podcięta (rowkowa) strefa 20, która służy do zmiany kierunku i uspokojenia wytopu metalurgicznego oraz do zredukowania energii kinetycznej wytopu.

Kształtka może być wytwarzana jednoczęściowo z gęstwy odlewniczej (na przykład na bazie Al2O3).

Na fig. 4 zaznaczono też linią kreskową możliwą odmianę kształtki, gdzie łączące się ze sobą bardziej lub mniej prostoliniowo strefy 12.1, 12.6 i 12.7 ścianki przechodzą w siebie płynnie, przy czym fragment strefy 12.7 od strony otworu wylotowego O jest ukształtowany z dodatkową wklęsłą krzywizną. Również odwrotne wybrzuszenie (krzywizna wypukła) odpowiada omawianemu przedmiotowi.

Ogólnie biorąc można stwierdzić, że jedna lub większa liczba wewnętrznych ścianek opisanego korpusu odbojowego (kształtki) może przebiegać prostoliniowo lub krzywiznowo, mianowicie po krzywiźnie wypukłej lub wklęsłej, także przechodząc w siebie, oraz pod tym samym lub różnym kątem nachylenia / promieniem krzywizny. Dzięki temu można dostosować charakterystykę przepływu wytopu do konkretnego przypadku zastosowania.

Gdy ukazane na fig. 4 proste strefy ścianki, które tworzą z płaszczyzną E-E kąt > 0 i < 90°, zastępuje się krzywiznowymi strefami, to nie cała strefa ścianki jest nachylona pod jednym kątem do płaszczyzny E-E. Kąt β, pod którym jest nachylony dany fragment strefy ścianki względem płaszczyzny E-E, jest wtedy określony dla każdego punktu wewnętrznego konturu strefy ścianki przez kąt, jaki tworzy styczna w danym punkcie z tą płaszczyzną.

Ze względu na krzywiznę, strefy 12.1, 12.6 i 12.7 ścianki przebiegają każdorazowo pod różnym kątem do płaszczyzny E-E.

Na fig. 4 na przykład do punktu P, położonego w strefie 12.7 od strony otworu wylotowego O, przylega styczna T. W punkcie P strefa 12.7 ścianki przebiega względem płaszczyzny E-E pod kątem β około 80°.

Claims (19)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Ogniotrwała kształtka ceramiczna mająca dno i co najmniej dwie ścianki, znamienna tym, że te ścianki (12, 14) rozpościerają się od przeciwległych fragmentów (101, 10r) dna (10) tak, że ich powierzchnie wewnętrzne, co najmniej w strefach (12.1, 12.3, 12.4), przebiegają pod kątem > 0 i < 90° do płaszczyzny E-E prostopadłej do dna (10), i z odwrotnym nachyleniem, między wolnymi zakończeniami (12r, 14r) ścianek (12, 14) jest ukształtowany otwór wylotowy (O), między dnem (10) i otworem wylotowym (O) istnieje co najmniej jedno przewężenie (11), w którym odstęp (dmin, qmin) pomiędzy ściankami (12, 14) jest mniejszy niż w strefach (12u, 14u, 12o, 14o) przylegających do otworu wylotowego (O) i dna (10).
2. 2. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że każda powierzchnia wewnętrzna ma kilka stref (12.1, 12.3, 12.4, 12.7) o różnych kątach nachylenia.
3. 3. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że każda powierzchnia wewnętrzna ma kilka stref (12.1, 12.3, 12.4, 12.7) o różnych kątach nachylenia i strefa (12.3, 12.7) sąsiadująca z wolnym zakończeniem (12r, 14r) ścianek (12, 14) ma kąt nachylenia większy niż kąt nachylenia strefy (12.1) sąsiadującej z dnem (10).
4. 4. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że wewnętrzne powierzchnie ścianek (12, 14) mają w przekroju profil piłokształtny.
5. 5. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że wewnętrzne powierzchnie ścianek (12, 14) mają zaokrąglone, zwrócone ku sobie fragmenty strefy (12.7).
6. 6. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że wewnętrzne powierzchnie ścianek (12, 14) mają co najmniej jedno rowkowe zagłębienie (20, 22).
7. 7. Kształtka według zastrz. 6, znamienna tym, że rowkowe zagłębienie (20, 22), patrząc w jego kierunku wzdłużnym, przebiega jako nachylone.
8. 8. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że przeciwległe powierzchnie wewnętrzne ścianek (12, 14) są ukształtowane w symetrii lustrzanej.
9. 9. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że ma postać otwartego ku górze koryta.

   PL 199 731 B1
10. 10. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że ma co najmniej dwie następne ścianki, które łączą obie ścianki (12, 14), tworząc kształt garnka.
11. 11. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że ma postać garnka mającego w widoku z góry owalną, prostokątną albo kołową geometrię.
12. 12. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że proporcja wysokość : szerokość albo wysokość : maksymalna średnica wnętrza (R) opasanego ściankami (12, 14) wynosi od 2:1 do 1:4.
13. 13. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że której proporcja wysokość : szerokość albo wysokość : maksymalna średnica wnętrza (R) opasanego ściankami (12, 14) wynosi do 1:15.
14. 14. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że kąt nachylenia (α, β, γ) wewnętrznych powierzchni ścianek (12, 14) wynosi 10 - 80°.
15. 15. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że kąt nachylenia (α, β, γ) wewnętrznych powierzchni ścianek (12, 14.) wynosi 30 - 60°.
16. 16. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że jest jednoczęściowa.
17. 17. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że ma dno (10) w postaci wycinka czaszy kulistej.
18. 18. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że odstęp wewnętrznych powierzchni ścianek (12, 14) zwiększa się ku wolnemu zakończeniu (12r, 14r).
19. 19. Kształtka według zastrz. 1, znamienna tym, że odstęp wewnętrznych powierzchni ścianek (12, 14) w strefie wolnych zakończeń (12r, 14r) i dennych zakończeń (12b, 14b) ścianek (12, 14) jest większy niż w co najmniej jednej strefie (11) między tymi zakończeniami.