PL202764B1 - Zatyczka do niezawodnego wdmuchiwania gazu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest jednolita żerdź zatyczkowa, stosowana do regulowania przepływu roztopionego metalu z wylewu kadziowego w zbiorniku, podczas odlewania metalu do wlewnic.

W procesach odlewania ciągłego okazało się, że zastosowanie gazów wdmuchiwanych poniżej zatyczki przynosi znaczne korzyści pod względem jakości odlewanego metalu. Przykładowo można wdmuchiwać gazy obojętne, takie jak argon lub azot, ograniczając problemy związane z powstawaniem narostów i zatykaniem otworów przez tlenek glinowy, bądź też wspomagając usuwanie produktów krzepnięcia z sąsiedztwa wylewu kadziowego. Można także stosować gazy reaktywne, jeżeli ciekły stop wymaga modyfikacji. W znanych rozwiązaniach zatyczka ma komorę wewnętrzną, połączoną ze środkami doprowadzającymi gaz na jednym końcu, oraz z wylotem gazu na drugim końcu.

Opracowano różnorodne układy zapewniające doprowadzanie do zatyczki gazu o dokładnie odmierzonych parametrach przepływu. Napotkano problemy związane z uszczelnianiem takich układów i zapewnianiem przepływu gazu zamierzoną drogą i bez strat. Zatyczki, które okazały się udane w zetknię ciu z tymi problemami, ujawniono w opisach patentowych EP-A2-358535, WO-A1-00/30785 i WO-A1-00/30786.

Tym niemniej jednak, nawet mając na względzie takie istotne ulepszenia, istnieje potrzeba zajęcia się innymi problemami. Wyraźnym powodem jednego takiego problemu jest zjawisko występujące podczas odlewania dużych ilości roztopionego metalu przepływającego przez wylew kadziowy poza końcówkę zatyczki. Na końcu zatyczki może powstawać podciśnienie, które może przenosić się przez wylot gazu do korpusu i z powrotem do instalacji doprowadzającej gaz, w której, wykorzystując wszelkie nieodpowiednie złącza, może zasysać powietrze do strumienia gazu, powodując znaczące pogorszenie jakości odlewanego metalu.

W celu wyeliminowania tego zagroż enia zaproponowano różnorodne rozwiązania, które wiążą się z ograniczeniem przepływu gazu wewnątrz zatyczki, dążąc w ten sposób do wytworzenia nadciśnienia wewnątrz zatyczki. Przykładowo, znane jest proste przewężenie pomiędzy komorą wewnętrzną i wylotem gazu w celu zapewnienia regulacji. Obliczono, że przy wymaganym ciśnieniu otwór komory wewnętrznej powinien mieć średnicę 0,2-0,5 mm, i jako taki jest niezwykle wrażliwy na zablokowanie ciałami stałymi lub pyłem unoszonym w strumieniu gazu, co powoduje straty przepływu. Znane jest także rozwiązanie polegające na wstawieniu do zatyczki korka przepuszczającego gaz, przez co uzyskuje się żądane ograniczenie przepływu i wzrost ciśnienia w zatyczce. Układy te borykają się jednak z problemem wynikającym ze zmian przepuszczalności materiałów ogniotrwałych w trakcie okresu eksploatacji zatyczki i wrażliwości na szybki wzrost temperatury podczas odlewania, i ze względu na ich zawodność, znalazły ograniczone zastosowanie.

Według innego znanego układu, ujawnionego np. w brytyjskim opisie patentowym nr A2254274, dostarczono jednolitą zatyczkę przystosowaną do doprowadzania gazu podczas odlewania roztopionego metalu, obejmującą korpus zatyczki mający komorę wewnętrzną i wylot gazu, otwór łączący komorę wewnętrzną z wylotem gazu, przy czym w otworze znajdują się środki kalibrujące zapewniające zwężoną drogę przepływu. Środki kalibrujące tworzy się z użyciem usuwanego rdzenia do ukształtowania części otworu łączącej komorę wewnętrzną z wylotem gazu, tworząc w ten sposób zwężoną szczelinową drogę przepływu, co do której uważa się, iż stwarza ona określony opór przepływu i przyczynia się do utrzymania nadciśnienia wewnątrz zatyczki. Tym niemniej jednak, kształtowanie szczelinowej drogi przepływu wykonywane z użyciem usuwanego rdzenia jest skrajnie zawodne i nie pozwala na ukształtowanie przewężenia o dokładnie określonym oporze przepływu. Ponadto ten sposób kształtowania nie pozwala na ukształtowanie bardzo wąskich kanałów. Należy rozumieć, że nadciśnienie wewnątrz zatyczki oznacza, że ciśnienie jest co najmniej równe ciśnieniu na zewnątrz zatyczki.

Według innego znanego układu ujawnionego w np. francuskim opisie patentowym nr A-2787045, dostarczono jednolitą zatyczkę przystosowaną do doprowadzania gazu podczas odlewania roztopionego metalu, obejmującą korpus zatyczki mający komorę wewnętrzną i wylot gazu, przy czym komora wewnętrzna jest połączona otworem z wylotem gazu. Zastosowane środki kalibrujące mają postać dyszy powietrznej Venturiego włożonej w komorę wewnętrzną. Taka konstrukcja środków kalibrujących nie pozwala na elastyczność odnośnie sposobu wytwarzania. Ponadto, aby uniknąć problemu z zatykaniem dyszy powietrznej Venturiego, np. pyłem, należy przestrzegać szczególnych środków ostrożności.

Niniejszy wynalazek ma na celu przezwyciężenie albo co najmniej ograniczenie powyższych problemów, związanych z dotychczasowymi zatyczkami, a w szczególności ich zawodności.

PL 202 764 B1

Według jednego aspektu, przedmiotem wynalazku jest jednolita zatyczka przystosowana do doprowadzania gazu podczas odlewania roztopionego metalu, obejmująca korpus zatyczki mający komorę wewnętrzną i wylot gazu, otwór łączący komorę wewnętrzną z wylotem gazu, przy czym w otworze znajdują się środki kalibrujące zapewniające zwężoną drogę przepływu. Zatyczka ta charakteryzuje się tym, że środki kalibrujące stanowi pręt mający co najmniej jeden biegnący osiowo wzdłuż niego kanał gazowy, przy czym kanał gazowy ma przekrój taki, aby stwarzał określony opór przepływu.

Określony opór przepływu kanałów gazowych biegnących wzdłuż pręta dobiera się w taki sposób, aby umożliwić bardzo dokładną i niezawodną regulację stosunku przepływ gazu/ciśnienie wewnętrzne i/lub utrzymać nadciśnienie gazu wewnątrz zatyczki.

Zastosowanie takiego pręta, który można wprowadzać do korpusu zatyczki na samym końcu procesu wywarzania zatyczki, pozwala na niezwykłą elastyczność w ustawianiu „określonego oporu przepływu tak, że zatyczkę według wynalazku można przystosować do szerokiego zakresu parametrów roboczych, zmieniając po prostu pręt. Ponadto pręt - jako wytwarzany oddzielnie - może być wykonany o wiele staranniej niż gdyby był wykonywany razem z zatyczką, a tym samym jest bardziej niezawodny. Pręty takie są dostępne w handlu do zastosowania jako osłony termopar.

Korzystnie, pręt jest wykonany z materiału ogniotrwałego nieprzepuszczalnego dla gazu tak, że unika się przecieków gazu na poziomie pręta, zwiększając tym samym niezawodność kalibracji. Korzystnie, materiał jest także odporny na ścieranie tak, że określony opór przepływu pozostaje stały przez cały okres trwałości pręta. Odpowiednie materiały obejmują mulit, wypalany glinokrzemian, tlenek glinu, rekrystalizowany tlenek glinu, tlenek cyrkonu - tlenek glinu, oraz inne materiały wysokoogniotrwałe mające wymagane właściwości.

Korzystnie, kanał (albo szereg kanałów) biegnący osiowo wzdłuż pręta ma (albo mają) postać kapilarnego otworu (otworów) albo szczeliny (szczelin) tak, aby zwiększyć stratę ciśnienia. Stwierdza się jednak, że zastosowanie szerszych kanałów gazowych, do 2 albo 3 mm, również okazało się udane. W szczególności korzystne jest przygotowanie kanałów w taki sposób, aby zatyczka działała przy prędkości przepływu równej prędkości dźwięku (gaz płynie kanałami z prędkością co najmniej równą prędkości dźwięku). Wiadomo oczywiście, że w tych warunkach można uzyskać o wiele bardziej niezawodny przepływ gazu, ponieważ wypływ gazu jest niezależny od ciśnienia zewnętrznego przy końcówce wylotowej gazu, a zależy tylko od ciśnienia wewnątrz zatyczki albo wewnątrz środków doprowadzających gaz.

Ewentualnie, w pręcie znajduje się szereg kanałów.

Stwierdzono, że dokładnego dostrojenia kalibracji można dokonać albo zmieniając całkowity przekrój kanałów gazowych, albo długość pręta.

Według szczególnie korzystnego wariantu wynalazku, pręt wystaje z otworu ponad dno komory wewnętrznej. Układ taki stwarza oczywiście „pułapkę wokół wystającej części pręta, która zatrzymuje pył i cząstki obecne w zatyczce tak, że nie mogą one zatkać kanału(ów) gazowych. W tym przypadku pręt powinien wystawać wystarczająco ponad dno komory wewnętrznej tak, aby uniknąć przedostawania się cząstek do wlotów kanałów gazowych. Wysokość ponad dno komory wewnętrznej wynosząca co najmniej 1 cm, korzystnie co najmniej 2 cm pozwala osiągnąć ten cel.

Według innej postaci wynalazku, pomiędzy co najmniej częścią pręta i ściankami otworu znajduje się uszczelka, korzystnie wykonana ze ściśliwego materiału ogniotrwałego. Do tego celu są odpowiednie uszczelki z grafitu o małej gęstości. Uszczelkę można wprowadzić na swoje miejsce albo podczas wytwarzania zatyczki, albo na późniejszym etapie.

Można także zastosować pręt biegnący aż do wylotu; ta postać jest szczególnie interesująca gdy kanały gazowe ukształtowane w pręcie są w postaci kapilarnych otworów albo szczelin. Pozwala to na wdmuchiwanie gazu do roztopionego metalu w postaci cienkiego strumienia gazu zamiast dużych pęcherzy. W jednej odmianie wykonania porowaty materiał można także umieścić w części otworu, która jest usytuowana pomiędzy dolnym końcem pręta i wylotem gazu. W takim układzie strumienie gazu zostają rozbite i przekształcone w chmurę małych pęcherzyków. Według korzystnej postaci, porowaty korek wkłada się w otwór przez wylot gazu.

Ogólnie biorąc, pręt będzie wystawać ponad dno komory wewnętrznej tylko na kilka centymetrów tak, że kanał(y) gazowy biegnący osiowo wzdłuż niego łączy(ą) się z komorą wewnętrzną i wylotem gazu. Tym niemniej jednak, w szczególnym wariancie, pręt biegnie do góry i jest połączony ze środkami doprowadzającymi gaz. W tych warunkach gaz doprowadzany do zatyczki wypływa bezpośrednio przy wylocie gazu przez kanał(y) pręta, nawet nie wypływając w komorze wewnętrznej. Taki

PL 202 764 B1 układ zapobiega wszelkim stratom gazu, jakie mogłyby być spowodowane przepuszczalnością materiału zatyczki.

Zatyczkę według wynalazku można wytwarzać według różnych sposobów wytwarzania. Według pierwszego sposobu, pręt mający co najmniej jeden biegnący osiowo kanał gazowy prasuje się wspólnie z korpusem zatyczki. W korzystnym wariancie tego sposobu, uszczelkę ogniotrwałą umieszcza się wokół pręta przed operacją wspólnego prasowania tak, że uszczelka zostaje zaprasowana pomiędzy prętem i materiałem stanowiącym korpus zatyczki.

Według innego sposobu wytwarzania, pręt wprowadza się do otworu na późniejszym etapie. Pręt można wprowadzić do otworu przez wylot gazu albo przez komorę wewnętrzną. Do zamocowania pręta w otworze, można wokół niego dodać zaprawy albo cementu. Korzystnie, wokół pręta, przed jego wprowadzeniem, można umieścić jedną albo większą liczbę uszczelek tak, aby skompensować ewentualne różnice rozszerzalności cieplnej różnych materiałów. Może okazać się konieczne wciśnięcie uszczelki do otworu. Korzystnie, materiał uszczelki jest zabezpieczony przed utlenianiem za pomocą zaprawy albo cementu. Obszar otworu przeznaczony do przyjęcia uszczelki można zaprojektować w postaci stożka tak, że podczas wprowadzania uszczelka jest utrzymywana w stanie ściśniętym i zachowuje stan ś ciś nię cia przez cał y okres trwał o ś ci prę ta.

Drugi sposób wytwarzania jest korzystny z kilku powodów: pozwala on na uzyskanie typowej konstrukcji zatyczki, którą dopiero na samym końcu procesu wytwarzania przystosowuje się do konkretnych warunków pracy; pozwala on także uniknąć odrzutów spowodowanych ewentualnym pęknięciem kalibrowanego pręta podczas operacji prasowania a następnie wypalania.

W szczególnym wariancie drugiego sposobu wytwarzania, najniższy obszar otworu ma gwint wewnętrzny i jest przeznaczony do przyjęcia porowatej wkładki z gwintem zewnętrznym. Wkładka ta spełnia funkcję rozpraszania gazu w roztopionym materiale i ochrony dolnej części pręta (przed przenikaniem roztopionego materiału) oraz uszczelki (przed utlenianiem). W tym przypadku porowaty korek może także stykać się z dolną częścią uszczelki tak, że przyczynia się on do utrzymywania uszczelki w stanie ściśniętym.

W innym wariancie wytwarzania, odpowiadają cym przypadkowi prę ta wystają cego do góry i połączonego ze środkami doprowadzającymi gaz, sposób obejmuje ponadto etap łączenia pręta ze środkami doprowadzającymi gaz.

Obecnie, za pomocą przykładów i w odniesieniu do załączonego rysunku, zostaną opisane niektóre postacie wynalazku.

Na załączonym rysunku: fig. 1-4 przedstawiają w sposób schematyczny dolną część czterech zatyczek według różnych postaci wynalazku.

Na tych figurach odnośnik 1 oznacza komorę wewnętrzną ukształtowaną wewnątrz korpusu zatyczki. Komora wewnętrzna 1 łączy się ze środkami doprowadzającymi gaz (niepokazanymi). Zatyczka ma także wylot 2 gazu, usytuowany w najniższym końcu zatyczki. Otwór 3 łączy komorę wewnętrzną 1 z wylotem 2 gazu. W otworze 3 umieszczono pręt 4. Pręt 4 ma jeden albo większą liczbę biegnących osiowo wzdłuż niego kanałów gazowych. Całkowity przekrój kanałów gazowych jest dobrany w taki sposób, aby stwarzać określony opór przepływu w celu utrzymania nadciśnienia gazu wewnątrz zatyczki. Uszczelka 5 wykonana z grafitu o małej gęstości i umieszczona wokół pręta 4 pozwala na uniknięcie wycieków gazu i tym samym zwiększa niezawodność układu.

Pręt 4 zatyczki z fig. 1 dochodzi do poziomu dna komory wewnętrznej 1. Podobne zatyczki przedstawiono na fig. 2-4, lecz pręt wystaje ponad dno komory wewnętrznej 1 tak, że pył i cząstki obecne w komorze wewnętrznej 1 (np. przenoszone przez strumień gazu lub powstałe w wyniku ścierania wewnątrz zatyczki) nie mogą osiągnąć wlotów kanałów gazowych.

Fig. 3 przedstawia szczególną postać, w której pręt 4 i uszczelkę 5 z grafitu o małej gęstości wspólnie sprasowano razem z zatyczką.

Fig. 4 przedstawia inną postać, w której w pogłębienie wywiercone wokół otworu 3 na poziomie wylotu 2 gazu wprowadzono porowaty korek 6.

Odnośniki:

1. Komora wewnętrzna

2. Wylot gazu

3. Otwór

4. Pręt

5. Uszczelka

6. Materiał porowaty

Claims (12)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Jednolita zatyczka przystosowana do doprowadzania gazu podczas odlewania roztopionego metalu, obejmująca korpus zatyczki mający komorę wewnętrzną (1) i wylot (2) gazu, otwór (3) łączący komorę wewnętrzną (1) z wylotem (2) gazu, przy czym w otworze (3) znajdują się środki kalibrujące (4) zapewniające zwężoną drogę przepływu, znamienna tym, że środki kalibrujące obejmują pręt (4) wystający ponad dno komory wewnętrznej (1) i mający co najmniej jeden biegnący osiowo wzdłuż niego kanał gazowy, przy czym kanał(y) gazowy ma (mają) przekrój taki, aby stwarzał określony opór przepływu.
2. 2. Zatyczka według zastrz. 1, znamienna tym, że pręt (4) jest wykonany z materiału ogniotrwałego.
3. 3. Zatyczka według zastrz. 2, znamienna tym, że pręt (4) jest wykonany z rekrystalizowanego tlenku glinu, korzystnie wyciskanego.
4. 4. Zatyczka według dowolnego z zastrz. 1-3, znamienna tym, że kanały mają postać kapilarnych otworów lub szczelin.
5. 5. Zatyczka według dowolnego z zastrz. 1-4, znamienna tym, że wokół pręta (4) jest usytuowana uszczelka (5), korzystnie uszczelka ogniotrwała, a jeszcze korzystniej uszczelka grafitowa.
6. 6. Zatyczka według dowolnego z zastrz. 1-5, znamienna tym, że pomiędzy dolnym końcem pręta (4) i wylotem (2) gazu znajduje się porowaty materiał (6).
7. 7. Zatyczka według zastrz. 6, znamienna tym, że w części otworu (3), która jest usytuowana pomiędzy dolnym końcem pręta (4) i wylotem (2) gazu, jest umieszczony porowaty korek (6).
8. 8. Zatyczka według zastrz. 1-7, znamienna tym, że kanał(y) gazowy jest(są) połączony(e) z komorą wewnętrzną (1) i wylotem (2) gazu.
9. 9. Zatyczka według zastrz. 1-7, znamienna tym, że pręt (4) wystaje do góry i jest połączony ze środkami doprowadzającymi gaz.
10. 10. Sposób wytwarzania zatyczki według dowolnego z zastrz. 1-9, obejmujący etapy:

    a) wprowadzania materiału ogniotrwałego do odpowiedniej formy;

    b) prasowania materiału ogniotrwałego w formie;

    c) wyjmowania sprasowanej zatyczki z formy;

    d) wypalania sprasowanej zatyczki;

    e) wprowadzania pręta do otworu.
11. 11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że obejmuje ponadto etap wiercenia albo powiększania otworu przed włożeniem pręta.
12. 12. Sposób według zastrz. 10 albo 11, obejmujący ponadto etap łączenia pręta ze środkami doprowadzającymi gaz.