PL206670B1 - Urządzenie wtryskowe i jego zastosowanie - Google Patents

Description

Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 374692 (22) Data zgłoszenia: 03.06.2003 (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:

03.06.2003, PCT/BE03/000097 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

18.12.2003,WO03/103877 (11) 206670 (13) B1 (51) Int.Cl.

C21C 7/072 (2006.01) B22D 1/00 (2006.01)

Opis patentowy przedrukowano ze względu na zauważone błędy (54)

Urządzenie wtryskowe i jego zastosowanie

	(73) Uprawniony z patentu:
	VESUVIUS CRUCIBLE COMPANY,
(30) Pierwszeństwo:	Wilmington, US
07.06.2002, EP, 02447113.8	(72) Twórca(y) wynalazku:
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 31.10.2005 BUP 22/05	CRAIG WILLOUGHBY, Sheffield, GB CAVAN MILLWARD, Chesterfield, GB
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	(74) Pełnomocnik:
30.09.2010 WUP 09/10	rzecz. pat. Grabowska Małgorzata SULIMA-GRABOWSKA-SIERZPUTOWSKA Biuro Patentów i Znaków Towarowych spółka jawna

PL 206 670 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie wtryskowe do wprowadzania płynu do zbiornika metalurgicznego oraz zastosowanie tego urządzenia. W szczególności wynalazek dotyczy takiego urządzenia, które jest montowane w sposób wyjmowalny w wyłożenie zbiornika metalurgicznego.

Płyny, w szczególności gazy, są często wtryskiwane w różnych celach do roztopionego metalu w zbiornikach takich jak kadzie, tygle albo kadzie pośrednie. Przykładowo, gaz można wprowadzać do dolnej części zbiornika w celu oczyszczenia względnie chłodnego dolnego obszaru z produktów krzepnięcia, np. w celu usunięcia ich z pobliża dolnego otworu spustowego, tam gdzie zbiornik ma taki wylot. Np. w produkcji stali, zastosowanie powolnego wtrysku cienkiej zasłony z pęcherzyków gazu do kadzi pośredniej dopomaga w usuwaniu wtrąceń, przy czym wtrącenia są przyciągane przez drobne pęcherzyki gazu i unoszą się do góry poprzez roztopiony metal do powierzchni, gdzie w znany sposób są wychwytywane przez powłokę proszku albo topnika w kadzi pośredniej. Można także wprowadzać płyn w celu przepłukiwania albo homogenizacji roztopionego metalu pod względem termicznym albo składu, bądź też w celu dopomagania w rozpraszaniu dodatków stopowych w roztopionym metalu.

Zwykle używa się płynu obojętnego, lecz można także stosować płyny reaktywne, np. gazy redukujące albo utleniające, gdy kompozycje stopu albo jego składniki wymagają modyfikacji. Przykładowo, jest zwykłą praktyką wtryskiwanie gazów takich jak azot, chlor, freon, sześciofluorek siarki, argon itp. do roztopionego metalu, np. do roztopionego aluminium albo stopów aluminium, w celu usunięcia niepożądanych składników, takich jak wodór, wtrącenia niemetaliczne oraz metale alkaliczne. Gazy reaktywne dodane do roztopionego metalu reagują chemicznie z niepożądanymi składnikami, przekształcając je w postacie takie jak wydzielenia, kożuch żużlowy albo nierozpuszczalny związek gazowy, który można łatwo oddzielić od reszty roztopionego metalu. Te płyny (albo inne) mogłyby także być używane np. w odniesieniu do stali, miedzi, żelaza, magnezu albo ich stopów.

Ze względu na różnorodne wymagania robocze, stosuje się dwa rodzaje urządzeń wtryskowych, a mianowicie porowate zatyczki oczyszczające, gdzie płyn przepływa przez nierównomiernie rozmieszczone pory różnej wielkości, oraz zatyczki, w których kierunek przepływu płynu, a także wielkość otworów, przez które płyn jest doprowadzany, są kontrolowane. Otwory te mogą być okrągłymi kanałami albo otworami, które albo utrzymuje się oddzielnie, albo połączone ze sobą, bądź też rowkami, które kiedy segmenty są zmontowane, można ułożyć w linii prostej albo w okrąg, poprzez zmontowanie razem dwóch elementów stożka.

W celu uzyskania optymalnego czyszczenia pożądane jest, aby pł yn był wprowadzany w roztopiony metal, korzystnie od strony dna zbiornika, w postaci bardzo wielkiej liczby niezwykle małych pęcherzyków tak, aby szybko przenosić niemetaliczne zanieczyszczenia albo gazy do żużla. W miarę jak zmniejsza się wielkość pęcherzyków, wzrasta liczba pęcherzyków na jednostkę objętości. Zwiększenie liczby pęcherzyków oraz ich pola powierzchni na jednostkę objętości zwiększa prawdopodobieństwo skutecznego wykorzystania wtryśniętego gazu do wykonania spodziewanej operacji oczyszczania albo przepłukiwania. Najlepszymi urządzeniami wtryskowymi do osiągnięcia tego oczyszczania albo przepłukiwania są więc porowate zatyczki.

Tam, gdzie potrzebna jest homogenizacja (tzn. tam, gdzie dodatki muszą być rozprowadzone i rozpuszczone) albo konieczne jest osiągnięcie równowagi temperatury, stosuje się zatyczki oczyszczające w celu wspomagania mieszania poprzez wdmuchiwanie dużych ilości gazu do kąpieli metalowej. Do tych zastosowań najskuteczniejszą alternatywą okazały się zatyczki oczyszczające o ukierunkowanej porowatości.

Ogólnie biorąc, dobór typu urządzenia wtryskowego będzie więc zależeć od głównych wymagań związanych z konkretnym zastosowaniem.

Jako punkt wyjściowy dla niniejszego wynalazku, wynalazcy myśleli o poprawie niezawodności urządzeń wtryskowych typu „zatyczki oczyszczające o ukierunkowanej porowatości”. Oczywiście, na ogół uważa się, że stały przepływ płynu przez ukierunkowaną porowatość jest konieczny w celu zapobiegania zablokowaniu wskutek wniknięcia roztopionego metalu. Konieczność odcinania dopływu płynu na końcu każdej operacji wtrysku będzie więc powodować zablokowanie i będzie mieć tendencję do utrudniania, jeżeli nie do uniemożliwiania ponownego użycia urządzenia wtryskowego, w szczególnoś ci jeż eli dost ę pne ciś nienie pł ynu jest niewystarczają ce do ponownego otwarcia kanałów przepływu płynu. Na ogół uważa się, że poniżej 10 barów (10⁶ Pa) istnieje ryzyko, że urządzenia wtryskowe typu „zatyczki oczyszczające o ukierunkowanej porowatości” mogą się nie otworzyć. Aby

PL 206 670 B1 uniknąć tego problemu, np. japońskie zgłoszenie patentowe (Kokai) 60-46312 zaleca, aby stosować tylko porowatość w masie w celu wspomagania mieszania.

Opis patentowy nr EP 0424502 zajmuje się już tym problemem i proponuje wtryskiwacz gazu z kanałami przepływu gazu ukształtowanymi jako kapilarne otwory albo szczeliny w pręcie wykonanym z materiał u ogniotrwał ego nieprzepuszczalnego dla gazu. Kapilarne otwory albo szczeliny maj ą tak małe wymiary, że podczas użytkowania roztopiony metal nie ma zasadniczo możliwości wniknięcia do kanałów.

Mimo, iż to urządzenie wtryskowe stanowi już wielki krok naprzód pod względem niezawodności wtryskiwania płynu do zbiornika metalurgicznego, pożądane jest znalezienie alternatywnych urządzeń wtryskowych. W idealnym rozwiązaniu, takie urządzenie wtryskowe powinno co najmniej dorównywać niezawodnością wtryskiwaczowi gazu ujawnionemu w EP 0424502 i powinno być wytwarzane w sposób ekonomiczny i prosty za pomocą znanych technik i ze znanych materiałów. Powinno także być możliwe otwieranie tego urządzenia wytryskowego, nawet jeżeli maksymalne dostępne ciśnienie płynu jest względnie niskie, np. niższe niż 10 barów (10⁶ Pa).

Niemiecki opis patentowy nr DE-A1-1101825 ujawnia urządzenie wtryskowe do wprowadzania płynu do zbiornika metalurgicznego z ogniotrwałym wyłożeniem, przy czym urządzenie to:

- moż na zamontować w wył o ż enie w sposób wyjmowalny;

- obejmuje pierwszy ogniotrwał y korpus i drugi ogniotrwał y korpus, odpowiednio zmontowane, przy czym każdy korpus, pierwszy i drugi, ma powierzchnię przystosowaną do stykania się z roztopionym metalem;

- ma kanał y przepł ywu pł ynu biegną ce od ś rodka doprowadzają cego p ł yn do powierzchni przystosowanej do stykania się z roztopionym metalem i stanowiące kanały przepływu płynu w pierwszym elemencie i drugim elemencie, przy czym względny opór hydrauliczny kanałów przepływu płynu drugiego korpusu jest większy niż opór hydrauliczny kanałów przepływu płynu pierwszego korpusu.

Zgodne z wynalazkiem urządzenie wtryskowe do wprowadzania płynu do zbiornika metalurgicznego mającego wyłożenie ogniotrwałe, które jest montowane w wyłożenie w sposób wyjmowalny, obejmuje odpowiednio zmontowane pierwszy korpus ogniotrwały i drugi korpus ogniotrwały, z tym że pierwszy korpus jest wykonany z materiału ogniotrwałego mniej przepuszczalnego dla płynu niż materiał drugiego korpusu, zaś każdy korpus, pierwszy i drugi, ma powierzchnię przystosowaną do stykania się z roztopionym metalem oraz ma kanały przepływu płynu, biegnące od środków doprowadzających płyn do powierzchni przystosowanej do stykania się z roztopionym metalem, przy czym względny opór hydrauliczny kanałów przepływu płynu w drugim korpusie jest większy niż opór hydrauliczny kanałów przepływu płynu w pierwszym korpusie, z tym że kanały przepływu płynu w pierwszym korpusie mają postać szczelin albo otworów, charakteryzuje się tym, że kanały przepływu płynu w pierwszym korpusie są niezależne od kanałów przepływu płynu w drugim korpusie.

Zaobserwowano oczywiście, że gdy ukierunkowana porowatość pierwszego korpusu łączy się z kanałami przepływu płynu drugiego korpusu, jak ujawniono w niemieckim opisie patentowym DE-A1-1101825 - np. kiedy szczeliny pierwszego korpusu przylegają bezpośrednio do drugiego korpusu - może to prowadzić do rozdzielenia korpusów. W szczególności, gdy jeden z korpusów jest wprowadzony do drugiego korpusu, powoduje to wyrzucenie otoczonego korpusu.

Korzystnie drugi korpus jest wprowadzony do pierwszego korpusu.

Zgodnie z korzystnym przykładem wykonania wynalazku drugi korpus jest wprowadzony centralnie do pierwszego korpusu.

Ponadto korzystnie kanały przepływu płynu w pierwszym korpusie są równoległe do powierzchni styku pomiędzy pierwszym i drugim korpusem.

Przewidziano również, że korzystnie kanały przepływu płynu w pierwszym korpusie są ułożone promieniowo od punktu środkowego drugiego korpusu.

Kanały przepływu płynu pierwszego i drugiego korpusu są ukształtowane w różny sposób tak, że względny opór hydrauliczny tych kanałów przepływu płynu można odpowiednio kontrolować. Korzystnie, drugi korpus jest wykonany z materiału ogniotrwałego przepuszczalnego dla płynu, tzn. z materiał u, który jest porowaty dla tego pł ynu w warunkach uż ytkowania. Korzystnie, drugi korpus jest wykonany ze sprasowanego materiału ogniotrwałego, którego wielkość ziarna jest dobrana w taki sposób, aby uzyskać żądaną porowatość.

Zgodnie z wynalazkiem korzystnie szczeliny albo otwory mają kontrolowany kierunek i wielkość otworów.

Ponadto korzystnie pierwszy korpus wykonany jest z materiału odlewanego.

PL 206 670 B1

Według wynalazku, kanały przepływu płynu pierwszego korpusu, które tym samym mają na ogół szersze otwory, są podatniejsze na zablokowanie po zamknięciu dopływu płynu. Kiedy ciśnienie płynu zaczyna działać na urządzenie wtryskowe, płyn zostanie więc najpierw wprowadzony do roztopionego metalu przez drugi korpus, jeżeli urządzenie wtryskowe było już używane i pewna ilość metalu pozostaje na jego powierzchni, blokując kanały przepływu płynu pierwszego korpusu. W miarę jak ciśnienie stopniowo wzrasta, natężenie przepływu przez drugi korpus rośnie, dopóki struga płynu nie zacznie uderzać w powierzchnię styku z roztopionym metalem pierwszego korpusu dzięki zjawisku wstecznego przepływu płynu, które powoduje mieszanie roztopionego metalu.

Ostatecznie, to atakowanie powierzchni styku z roztopionym metalem pierwszego korpusu będzie powodować oczyszczenie i otwarcie kanałów przepływu płynu pierwszego korpusu. Ponieważ względny opór hydrauliczny kanałów przepływu płynu drugiego korpusu jest większy niż opór hydrauliczny kanałów przepływu płynu pierwszego korpusu, płyn będzie mieć tendencję do podążania drogą najmniejszego oporu i wskutek tego będzie płynąć przez kanały przepływu płynu pierwszego korpusu, podczas gdy drugi korpus przestanie zasadniczo umożliwiać przepływ płynu. Pozwoli to na przejście większego natężenia przepływu w roztopionym metalu, przy wykorzystaniu wszystkich wymienionych wyżej zalet zatyczki oczyszczającej o ukierunkowanej porowatości.

Środki doprowadzające płyn do kanałów przepływu płynu pierwszego i drugiego korpusu są wspólne.

Wynalazcy zaobserwowali oczywiście, że drugi korpus wykonany z materiału ogniotrwałego, który jest przepuszczalny dla płynu przeznaczonego do wtryskiwania, jest daleko mniej wrażliwy na penetrację roztopionego metalu niż kanały przepływu płynu w pierwszym korpusie, oraz to, że w konsekwencji, podczas początkowego przepływu płynu, kanały przepływu płynu utworzone przez porowaty układ drugiego korpusu oczyszczają się i otwierają łatwiej niż kanały przepływu płynu w pierwszym korpusie. Innymi słowy, do oczyszczenia i otwarcia kanałów przepływu płynu w drugim korpusie potrzeba niższego ciśnienia.

Dalsza zaleta, którą niespodziewanie zaobserwowano w przypadku tej korzystnej postaci, jest następująca: gdy penetracja płynu do kanałów przepływu płynu pierwszego korpusu jest tak silna, że te kanały przepływu płynu nie otwierają się bezpośrednio pod wpływem wstecznego przepływu strumienia płynu z przepuszczalnego dla płynu drugiego korpusu wówczas, przez pewien czas, cały płyn jest wtryskiwany poprzez drugi korpus. Powoduje to zużywanie się do pewnego stopnia powierzchni drugiego korpusu. Gdy drugi korpus ulegnie zużyciu do poziomu poniżej powierzchni pierwszego korpusu, powoduje to z kolei osłabienie powierzchniowej warstwy pierwszego korpusu powyżej pozostałej powierzchni drugiego korpusu oraz jej łatwiejsze odrywanie. Ostatecznie, gdy zablokowana powierzchnia pierwszego korpusu oderwie się już, kanały przepływu płynu pierwszego korpusu są oczyszczone i mogą obecnie łatwo się otworzyć. Uważa się, że wynika to z faktu, że materiał ogniotrwały przepuszczalny dla płynu jest podatniejszy na zużycie.

Można brać pod uwagę liczne układy pierwszego i drugiego korpusu w urządzeniu wtryskowym. Przykładowo, drugi korpus może być ukształtowany w postaci porowatego pierścienia otaczającego pierwszy korpus mający szczeliny ukształtowane w materiale nieprzepuszczalnym dla płynu. Omówiona wyżej zaleta jest jednak szczególnie zauważalna, gdy drugi korpus jest stosownie wprowadzony do pierwszego korpusu, korzystnie centralnie do pierwszego korpusu tak, że profil zużycia powierzchni styku z roztopionym metalem urządzenia wtryskowego jest bardziej równomierny na całej tej powierzchni. W korzystnej postaci wynalazku, kanały przepływu płynu w pierwszym korpusie są ułożone promieniowo od punktu środkowego drugiego korpusu tak, że wszystkie kanały przepływu płynu pierwszego korpusu będą w równym stopniu poddane zużyciu powierzchni wynikającego z działania strumienia płynu z drugiego korpusu. Tym niemniej jednak, ze względów konstrukcyjnych i ekonomicznych, może być korzystne maksymalne zwiększenie wymiarów drugiego korpusu. Dlatego też wynalazek dotyczy także urządzenia wtryskowego, w którym kanały przepływu płynu w pierwszym korpusie są rozmieszczone zasadniczo równolegle do powierzchni przylegania pomiędzy korpusem pierwszym i drugim w taki sposób, aby drugi korpus mógł zająć więcej miejsca. Drugi korpus może mieć przekrój kołowy albo wielokątny.

W korzystnym wariancie wynalazku, pierwszy korpus jest wykonany z materiał u ogniotrwał ego mniej przepuszczalnego dla płynu niż materiał drugiego korpusu, np. z materiału odlewanego, a biegnące przezeń kanały przepływu płynu mają postać szczelin albo otworów, korzystnie o kontrolowanym kierunku i wielkości otworów.

PL 206 670 B1

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie urządzenie wtryskowe według wynalazku, a fig. 2 przedstawia urządzenie wtryskowe z fig. 1 w widoku z góry.

Urządzenie wtryskowe 1 jest zaopatrzone w wyłożenie zbiornika metalurgicznego (niepokazanego), przy czym jego powierzchnie 4, 5 styku z roztopionym metalem są co najmniej ułożone równo z powierzchnią wyłożenia. Urządzenie wtryskowe składa się z co najmniej pierwszego i drugiego korpusu 2, 3, które są odpowiednio zmontowane. Najczęściej urządzenie wtryskowe jest otoczone metalową koszulką (9). Pierwszy korpus 2 ma kanały 6 przepływu płynu, w postaci szczelin, biegnące od środków 8 doprowadzających płyn do jego powierzchni 4 styku z roztopionym metalem. Drugi korpus 3 ma kanały 7 przepływu płynu, utworzone w wyniku porowatości materiału, biegnące od jego powierzchni 5 styku z roztopionym metalem do środków 8 doprowadzających płyn. W postaci przedstawionej na fig. 2, kanały 6 przepływu płynu biegną promieniowo od punktu środkowego drugiego korpusu. Kanały 6 przepływu płynu mogą być rozmieszczone zasadniczo równolegle do powierzchni styku pomiędzy pierwszym korpusem 2 i drugim korpusem 3. W postaci przedstawionej na fig. 1 i 2, środki 8 doprowadzające płyn stanowi komora mieszania, która jest połączona z rurą doprowadzającą płyn (niepokazaną).

Zaobserwowano, że do otwarcia kanałów przepływu płynu urządzenia wtryskowego według wynalazku wystarcza ciśnienie płynu 6-9 barów (6 x 10⁵ - 9 x 10⁵ Pa).

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie wtryskowe (1) do wprowadzania płynu do zbiornika metalurgicznego mającego wyłożenie ogniotrwałe, przy czym to urządzenie jest montowane w wyłożenie w sposób wyjmowalny, obejmuje odpowiednio zmontowane pierwszy korpus ogniotrwały (2) i drugi korpus ogniotrwały (3), z tym że pierwszy korpus (2) jest wykonany z materiału ogniotrwałego mniej przepuszczalnego dla płynu niż materiał drugiego korpusu (3), zaś każdy korpus, pierwszy i drugi, ma powierzchnię (4, 5) przystosowaną do stykania się z roztopionym metalem oraz ma kanały (6, 7) przepływu płynu, biegnące od środków (8) doprowadzających płyn do powierzchni (4, 5) przystosowanej do stykania się z roztopionym metalem, przy czym względny opór hydrauliczny kanałów (7) przepływu płynu w drugim korpusie (3) jest większy niż opór hydrauliczny kanałów (6) przepływu płynu w pierwszym korpusie (2), z tym że kanały (6) przepływu płynu w pierwszym korpusie (2) mają postać szczelin albo otworów, znamienne tym, że kanały (6) przepływu płynu w pierwszym korpusie (2) są niezależne od kanałów (7) przepływu płynu w drugim korpusie (3).
2. 2. Urządzenie wtryskowe według zastrz. 1, znamienne tym, że drugi korpus (3) jest wprowadzony do pierwszego korpusu (2).
3. 3. Urządzenie wtryskowe według zastrz. 2, znamienne tym, że drugi korpus (3) jest wprowadzony centralnie do pierwszego korpusu (2).
4. 4. Urządzenie wtryskowe według zastrz. 3, znamienne tym, że kanały (6) przepływu płynu w pierwszym korpusie są równoległe do powierzchni styku pomiędzy pierwszym i drugim korpusem (2, 3).
5. 5. Urządzenie wtryskowe według zastrz. 3, znamienne tym, że kanały (6) przepływu płynu w pierwszym korpusie są ułożone promieniowo od punktu środkowego drugiego korpusu (3).
6. 6. Urządzenie wtryskowe według zastrz. 1, znamienne tym, że drugi korpus jest wykonany z materiału ogniotrwałego przepuszczalnego dla tego płynu.
7. 7. Urządzenie wtryskowe według zastrz. 6, znamienne tym, że drugi korpus jest wykonany ze sprasowanego materiału ogniotrwałego.
8. 8. Urządzenie wtryskowe według zastrz. 1, znamienne tym, że szczeliny albo otwory mają kontrolowany kierunek i wielkość otworów.
9. 9. Urządzenie wtryskowe według zastrz. 1, znamienne tym, że pierwszy korpus wykonany jest z materiału odlewanego.
10. 10. Zastosowanie urządzenia zdefiniowanego w zastrzeżeniach 1 - 9 do wtryskiwania płynu do zbiornika metalurgicznego.