一种用于将气体吹入冶金容器中的装置和冶金容器 |
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| 申请号 | CN201220559852.0 | 申请日 | 2012-10-29 | 公开(公告)号 | CN203265622U | 公开(公告)日 | 2013-11-06 |
| 申请人 | 维苏维尤斯·克鲁斯布公司; | 发明人 | 汉斯·罗斯福斯; | ||||
| 摘要 | 本实用新型涉及一种用于将气体吹入 冶金 容器中的装置和冶金容器，例如吹气塞，该装置包括：（a）沿着中 心轴 线延伸的主体（2），该主体包括，（b）将位于所述主体的一端的气体入口（3a）与位于沿着所述轴线的相反端的气体出口（3b） 流体 连接的至少一个气体流动通道（3），所述气体流动通道（3）的形状为由第一和第二相对表面限定的狭缝。本实用新型的装置容许防止渗入的熔融金属或 熔渣 堵塞该装置。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于将气体吹入冶金容器中的装置，包括： |
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| 说明书全文 | 一种用于将气体吹入冶金容器中的装置和冶金容器技术领域[0001] 本实用新型涉及通常用于将气体吹入冶金容器中的装置，例如耐火吹气塞、鼓风口、扩散器、冒泡块或垫等。本实用新型尤其涉及能够防止由于金属熔体或熔渣的逆流渗入而堵塞塞的这种装置。为简单起见，在本说明书中涉及吹气塞，但应清楚地理解，本实用新型并不限于吹气塞。 背景技术[0002] 在金属成型工艺中，将金属熔体从一个冶金容器传递到另一个冶金容器或模具。例如，钢水包由从炉流出的金属熔体填充并传递到中间包。然后金属熔体可从中间包浇铸到模具以用于形成板坯、坯段或钢坯。可替代地，也可直接从钢水包灌注钢锭。在大部分情况下，希望将气体吹入容纳在此类冶金容器中的熔融金属中。这可用于加速熔浴的温度和组分的均匀化，将大部分熔浴中存在的非金属成分向上运送到熔渣顶层中，在熔融金属内形成有利状态等。气体通常借助于位于诸如钢水包或中间包之类的冶金容器的底部或侧面处的吹气塞而吹入熔融金属中。 [0003] 吹气塞的形式是大致沿着纵向轴线延伸的耐火材料块体。在该块体的一端连接到加压气体源的气体入口与位于块体的相反端的气体出口流体连接。气体入口和气体出口可经开孔网络、通过一个或多个通道（例如狭缝形或具有圆形截面）、或两者的结合互相流体连接。开孔网络有时被称为产生“间接渗透”，而通道被称为产生“直接渗透”。通常认为间接渗透塞在打开速度和搅拌效率方面比直接渗透塞更有效（由于气泡尺寸和工作面积）。多孔塞（间接） 的一个缺点在于材料通常较弱（该材料在较高流速时具有较低冷热压碎强度和较快腐蚀）。 [0004] 如图5中所示，吹气塞（1）通常埋设在冶金容器（31）的壁和衬套中，其中气体入口面向冶金容器的外侧，并且气体出口面向容器的内侧，与熔融金属接触。术语“气体入口”和“气体出口”是相对于注入冶金容器中的气体流动方向（11）而定义的。吹气塞的一个主要问题在于当停止流动时压力降低的情况下，熔融金属可能在重力驱动下经气体出口渗入塞的通道和/或孔隙。这不仅产生安全担忧，而且产生运行问题。实际上，熔体在通道或孔隙中凝固后，塞至少部分被堵塞。可以仅通过将高压气体吹入通道和/或孔隙中或通过当冶金容器清空时由氧气切割塞的上表面来使被堵塞的塞畅通，但这些技术耗时、并非总是合适、导致耐火材料的严重腐蚀，而且并非总是成功地使塞畅通。除非使用多个独立的通道，否则熔融金属在气体出口的一个点的渗入通常引起整个塞的完全或部分堵塞。为了降低渗入的风险，通道的直径或宽度通常被限制为不超过1mm，以便通过毛细作用提供充分的渗入阻力。然而，该措施不利于吹气塞的效力，因为它严重限制了通过塞的气体流速。本实用新型提出一种即使在熔融金属部分渗入通道后也能够延长吹气塞使用寿命的方案。因为部分渗入对吹气塞的使用并不是致命的，该方案还允许以尺寸接近或甚至大于1mm的通道工作。 实用新型内容 [0005] 本实用新型由所附独立权利要求限定。从属权利要求限定优选实施例。具体地，本实用新型涉及用于将气体吹入冶金容器中的装置，所述装置包括：沿着中心轴线延伸的主体，其包括，将位于所述主体的一端的气体入口与位于沿着所述轴线的相对端的气体出口流体连接的至少一个气体流动通道，所述气体流动通道的形状为由第一和第二相对表面限定的狭缝，其特征在于，所述至少一个气体 流动通道包括一系列连续凹形桥接部，该桥接部连接限定所述通道的所述第一和第二相对表面，所述桥接部具有朝所述气体出口取向的凹侧，其中所述凹形桥接部以交错排列布置，使得所述通道中从所述气体出口延伸到所述气体入口的任何第一最短线必然截断至少一个第一桥接部的所述凹侧。 [0006] “通道中从气体出口延伸至气体入口的最短线”通常对应于熔融金属具体在重力驱动下渗入狭缝形通道的情况下将沿其流动的理论方向。在优选实施例中，通道中从由所述第一最短线截断的所述第一桥接部的任一侧延伸到气体入口的任何第二最短线必然截断至少一个第二桥接部的凹侧。优选截断至少一个第三桥接部的凹侧的第三最短线等同样如此，其中通道中从由第（i-1）最短线截断的第（i-1）桥接部的任一侧延伸到气体入口的任何第i最短线必然截断至少一个第i桥接部的凹侧，直到第N桥接部与气体入口之间再不存在桥接部。N值优选至少等于3，更优选地，N至少等于5，最优选地，N至少等于10。 [0007] 一个或多个狭缝形通道的不同构造是可能的。在第一实施例中，至少一个通道包围纵向轴线（X1），从而通过形成气体流动通道的狭缝限定与包围层分开的芯部。在第二实施例中，至少一个狭缝大致沿平面延伸。所述平面优选从塞体的纵向轴线（X1）径向地延伸。在又一个优选实施例中，若干个狭缝（连接或分离）沿着包括塞体的纵向轴线（X1）的平面延伸并绕所述纵向轴线径向地分布。表述“大致沿平面延伸”意味着包括狭缝通道绕平面起伏的实施例。 [0008] 凹形桥接部形成为许多适合于接收和保持在截断金属之前流动的金属的小型储槽。它们可具有不同几何形状。具体地，优选凹形桥接部具有以下几何形状中的一者：“U”形、“V”形、弧形、优选圆形或椭圆形、开口矩形或正方形盒状、抛物线形等。因此，狭缝和凹形桥接部的厚度优选不超过2.0mm，更优选地，不超过1.5mm， 更优选地不超过1.0mm，并且最优选地，不超过0.5mm，取决于所使用的熔融金属的粘度和流体张力。一般而言，使用厚度介于0.25与0.5mm之间的狭缝形通道获得良好结果。 [0009] 本实用新型的吹气塞的主体可完全由致密耐火材料制成，因此以至少一个狭缝形通道限定直接渗透系统。在可选实施例中，塞体的至少一部分（例如包围层）由多孔耐火材料制成，因此以狭缝通道限定混合的直接和间接渗透系统。例如，塞可包括由致密耐火陶瓷制成的、通过环形狭缝形通道与周围的多孔耐火层分离的芯部。 [0010] 本实用新型还涉及一种包括如上所述将气体吹入冶金容器的装置的冶金容器，其中气体出口与所述容器的内部流体连通，以及一种用于制造这种吹气塞的工艺。用于制造如上所述的吹气塞的工艺包括以下步骤： [0011] （a）提供工具，该工具的腔限定吹气塞的沿着中心纵向轴线（X1）延伸的长形主体（2）的体积； [0012] （b）在与通道狭缝的期望位置相对应的位置将在工艺的加热步骤（d）期间移除的至少一个箔片定位在所述工具中，所述箔片在其表面上具有多个孔口，并且在孔口之间限定从其对应于通道气体入口的第一端部到其对应于气体出口的第二相反的端部的连续路径； [0013] （c）将耐火材料浇铸在设置有所述箔片的所述工具中； [0014] （d）在足以使耐火材料硬化并消除箔片的温度下加热吹气塞。根据本实用新型的工艺的特征在于，孔口具有凹形几何形状，其凹侧朝对应于通道气体出口的第一箔片部分取向，并且以交错排列布置，使得通道中从第一箔片部分延伸到对应于通道气体入口的相对第二箔片部分的任何最短线必然截断至少一个孔口的凹侧。 [0015] 在优选实施例中，工具的一部分作为包覆耐火材料周面的金属鞘而成为吹气塞的一部分。根据狭缝通道的期望几何形状，可能需要多于一个这样的箔片来制造吹气塞。在加热步骤（d）期间通过熔 化、灰化或升华而移除箔片。加热步骤（d）可包括吹气塞的干燥步骤。例如，干燥步骤可包括逐渐升温子步骤、用于从耐火材料基本除去水分并烧尽塑料箔片的停留（dwell）子步骤（例如在介于300℃与650℃之间的温度下停留3至10小时）和逐渐冷却子步骤。可选择地，加热步骤（d）可包括点燃步骤。例如，点燃步骤可包括逐渐升温子步骤、用于在耐火材料中形成陶瓷结合剂并烧尽塑料箔片的停留子步骤（例如在介于1200℃与1700℃之间的温度下停留3至10小时）和逐渐冷却子步骤。 [0016] 在本实用新型工艺的另一个实施例中，能首先形成限定内部空间的外层。然后在步骤（b）中将箔片插入外层的内部空间中，并且然后在步骤（c）中在由箔片限定的内部空间的其余部分中铸造芯部。在本实用新型工艺的又一个实施例中，能首先形成芯部。然后在步骤（b）中将箔片卷绕在所述芯部周围，并且然后在步骤（c）中在腔与卷绕在芯部周围的箔片之间限定的容积中铸造外层。通过这一技术，可以产生这样一种吹气塞，该吹气塞具有与通过环形狭缝与该吹气塞分离的鞘的不同孔隙率的芯部。附图说明 [0017] 附图中示出了本实用新型的各种实施例： [0018] 图1：示出了根据本实用新型吹气塞的透视图，其中局部切开以示出凹形桥接部的结构； [0019] 图2：示出了根据本实用新型凹形桥接部的几何形状的各种实施例； [0020] 图3：示出了根据本实用新型的桥接部阵列，示出了熔体流动路径，以及将气体入口与气体出口或第n桥接部接合的最短线； [0021] 图4(a)至4(e)：示出了垂直于纵向轴线（X1）的各种截面，图示了不同的狭缝通道构造； [0023] 图6(a)至6(d)：示意性地图示了用于制造根据本实用新型的吹气塞的第一实施例的各个步骤； [0024] 图7(a)至7(f)：示意性地图示了用于制造根据本实用新型的吹气塞的第二实施例的各个步骤。 [0025] 本实用新型并不限于附图所示的实施例。因此，应理解，在所附权利要求中提及的特征后带有附图标记的情况中，包括此类标记仅为了增强权利要求的可理解性，而并非限制权利要求的范围。 具体实施方式[0026] 如图1中可见，根据本实用新型的吹气塞（1）包括主体，该主体在位于所述主体的第一端的气体入口（3a）与位于所述主体的沿着纵向轴线（X1）的相反端的气体出口（3b）之间沿着所述纵向轴线延伸，气体入口（3a）经由至少一个狭缝形通道与气体出口（3b）流体连通。狭缝形通道由第一通道表面和相对的第二通道表面限定，所述通道表面相互之间的距离限定通道狭缝的开口宽度W。通道的开口长度L是在与开口宽度W结合后产生垂直于狭缝开口的纵向轴线（X1）的切口区域的距离（参见图4（c））。在如图1中所代表的环形狭缝的情况下，狭缝的开口长度L是环形狭缝的周长。在如图4（c）中所示的平面狭缝的情况下，狭缝的开口长度L仅为其长度。狭缝形通道限定为具有比其开口长度L小得多的开口宽度W的通道。具体地，如果长宽比L/W≥3，优选地，L/W≥5，更优选地，L/W≥10且甚至L/W≥50，则认为通道是狭缝形的。吹气塞主体内的通道狭缝（s）的几何形状和布局对本实用新型而言并不关键，只要该通道可被认为是狭缝形的。 [0027] 本实用新型并不完全防止熔融金属意外渗入通道，而是严格地限制这种渗入的深度，具体而言，容许塞尽管有局部渗入也依然工作。这一点可通过利用连接限定通道的第一相对表面和第二相对表面的一系列连续的凹形桥接部（4）来实现，所述凹形桥接部的凹侧 （4a）朝气体出口（3b）取向。因此，各凹形桥接部起到小型保持槽的作用，能够捕获并保持渗入通道的一定量的熔融金属。凹形桥接部（4）彼此分离并以交错排列布置，使得通道中从气体出口（3b）延伸到气体入口（3a）的任何第一最短线必然截断至少一个第一桥接部（41）的凹侧（4a）。通道中“从气体出口延伸到气体入口的最短线”顺循熔融金属的流动方向，该流动方向是熔融金属具体在重力驱动下渗入无凹形桥接部的狭缝形通道的流动方向。由于所述最短线必然截断至少一个第一桥接部（41），所以熔融金属（10）的流动将被所述至少一个桥接部止挡，直到所述至少一个桥接部的凹侧形成的储器充满金属。凹形桥接部应该互相分离，以提供允许加压气体从气体入口（3a）流到气体出口（3b）的连续气体路径。任何两个邻近的桥接部之间的间隙应该被位于前两个桥接部下游的桥接部填充，其中本文中的术语“下游”是相对于与气体流动方向相反的熔融金属流动方向限定的。 [0028] 这样交错成使得从气体出口（3b）延伸到气体入口（3a）的任何最短线截断刚好一个凹形桥接部的一组完整的凹形桥接部（4）限定一个“截留等级（level）”，即N=1。理论上，根据每个凹形桥接部能容纳的液态金属的体积，包括一个截留等级（N=1）的吹气塞将足以至少部分保持金属流。在实践中，优选将截留等级的数目增加至较高值，以降低泄漏风险。从气体出口（3b）延伸到气体入口（3a）的截留等级的总数目限定“截留程度”N。一旦截断熔融金属流的至少一个桥接部（41）充满金属，熔体便将在所述桥接部的任一侧溢流并顺循最短路径进一步流到气体入口（3a）。如上所述，截留程度为一（N＝1）的吹气塞在小到中等渗入水平的情况下完全足以止挡金属流，但在导致所述桥接部（41）溢流的更大量的渗入的情况下，不存在更多减慢和止挡从所述桥接部向下游流动的保持装置。为此，优选本实用新型的吹气塞包括大于一（N＞1）、优选至少为二（N≥2）、优选至少为三（N≥3）、更优选至少为五（N≥5）、最优选至少为10（N≥10）的截留程度。 [0029] 如图3中所示，可通过交错排列获得高于一的截留程度N，其中通道中从由所述第一最短线截断的所述第一桥接部（41）的任一侧延伸到气体入口（3a）的任何第二最短线必然截断至少一个第二桥接部（42）的凹侧（4a）等等，其中通道中从由第（i-1）最短线截断的第（i-1）桥接部（4（i-1））的任一侧延伸到气体入口（3a）的任何第i最短线必然截断至少一个第i桥接部（4i）的凹侧（4a），直到第N桥接部（4N）与气体入口（3a）之间不再存在桥接部。 [0030] 凹形桥接部可具有各种形状、尺寸和分布，只要： [0031] （a）它们在其凹度方面适合保持给定体积的熔融金属，并且因此形成跨越狭缝整个宽度以及它们在其两端之间的全长的不渗透壁， [0032] （b）它们的交错排列不会使最短自由流动线从气体出口（3b）延伸到气体入口（3a），以及 [0033] （c）它们的分布限定了产生从气体入口（3a）到气体出口（3b）可接受压降的气体流动路径。 [0034] 图2示出了适合本实用新型的凹形桥接部（4）的几何形状的可能实施例。例如，桥接部可具有“U”形、“V”形、弧形、优选圆形或椭圆形、开口矩形或正方形盒状、抛物线形等等。该几何形状不一定是“规则”的，只要它包括限定保持槽的凹侧（4a）。同一个吹气塞可包括越过其狭缝通道分布的不同几何形状和/或尺寸的桥接部，并且它们的分布在一个狭缝内或同一个塞的两个狭缝之间也可变化。 [0035] 狭缝通道可具有多种几何形状。例如，图4（a）至图4（e）示出了包括不同地布置在垂直于纵向轴线（X1）的平面上的狭缝通道的吹气塞的各种实施例。图4（a）和图4（b）示出了两个实施例，其中一个和两个通道分别包围所述纵向轴线（X1），因此通过形成 通道的狭缝限定与包围层（2b）分开的芯部（2a）。可使用多于两个的包围通道，并且显然它们不需要为如图4（a）和图4（b）中所示的圆形，而是可以具有形成闭环或开环的曲线或多边形形状，诸如图4（e）中所示的星形设计。图4（c）和图4（d）示出了其中狭缝未形成闭环的两个实施例。在所示实施例中，狭缝是直线形并且从截面的中心径向地排列（参见图4（c））或互相平行地延伸（图4（d））。而其，尽管图4（c）和图4（d）中示出了直线狭缝，显然它们可以如图4（e）中所示是曲线和/或呈之字形。 [0036] 狭缝通道沿着纵向轴线（X1）从气体入口（3a）延伸到塞体相对端的气体出口（3b）。所述通道可大致平行于所述纵向轴线（X1）延伸或者不是这样。在图1中所示的实施例中，通道不平行于纵向轴线，并且顺循与吹气塞的外侧主体共用相同顶点的锥体的母线方向。在如图4（c）和图4（d）中所示的通道排列的情况下，适合具有平行于纵向轴线（X1）延伸的通道，不过这不是强制性的。通道可在气体入口和出口之间直线延伸或者是弯曲的。由于其中用来形成通道的箔片（23）将在工艺期间变形或起皱的不良受控工艺而希望后一个实施例。 [0037] 如在下文将理解，狭缝通道的开口宽度W在纵向上以及沿着开口长度L可以变化，但制造具有恒定宽度W的狭缝通道更简单。与本领域中通常认为可防止吹气塞由于熔体渗入而严重损坏的安全宽度相比，使用本实用新型中提出的几何形状，狭缝通道可具有更大的宽度W。具体地，对于本实用新型，宽度达2mm的狭缝通道是可行的。然而，通道的宽度优选不超过1.5mm，更优选不超过1.0mm，并且最优选地不超过0.5mm。 [0038] 用于制造吹气塞的主体的耐火材料优选至少部分由透气性相对低的材料制成。如2 果耐火材料的渗透率小于4μm（相当于40nPm），则认为耐火材料具有相对低的透气性。如果吹气塞的主体完全由透 气性相对低的耐火材料制成，则吹气塞限定如上所述的“直接渗 2 透”系统。可通过为主体的一部分使用透气性高于4μm 的耐火材料来获得混合“直接/间接渗透”系统。例如，在如图1和4（a）和4（b）中所示的芯部/鞘几何形状中，芯部可由具有第一渗透率的耐火材料制成，并且包围的鞘可由具有高于或低于芯部渗透率的第二渗透率的耐火材料制成。例如，可使用诸如氧化铝、铝碳或尖晶石等耐火材料（既用于可渗透材料又用于不可渗透（或透气性相对低）的材料，如果有的话）。 [0039] 图中所示的吹气塞是截顶圆锥形的，但本实用新型当然不限于这种几何形状，其可因冶金生产线的设计而异。由如上所述的耐火材料制成的芯部的周面常常包覆有金属外壳以机械地增强结构。在一些实施例中，在吹气塞的制造期间，金属包覆件可用作在其中铸造耐火材料的模具的一部分。在可选实施例中，金属外壳借助于粘合剂或胶合剂联接到完全制造好的耐火主体。 [0040] 根据本实用新型的吹气塞可使用包括以下步骤的工艺很简单地制造： [0041] （a）提供工具(21)，其腔（22）限定所述吹气塞的沿着中心纵向轴线（X1）延伸的长形主体（2）的体积。在优选实施例中，该工具的一部分由作为最终吹气塞的一部分的金属外壳制成以机械地增强结构； [0042] （b）如图6（a）所示，在与通道狭缝的期望位置相对应的位置将可在工艺的加热步骤（d）期间移除的至少一个箔片（23）定位在所述工具中，所述箔片在其表面上具有多个孔口（24），并且在孔口之间限定从其对应于通道气体入口（3a）的第一端部（23a）到其对应于气体出口（3b）的第二相反端部（23b）的连续路径；箔片可由纸、纸板、蜡制成或由诸如PVC、PE或PP之类的聚合材料制成，并且应该足够坚硬而不会在工艺期间自相折叠、起皱或起波纹， [0043] （c）在设置有所述箔片的所述工具中浇铸可浇铸组分（25）（参 见图6（b））； [0044] （d）在足以硬化耐火材料并消除箔片的温度下加热吹气塞（参见图6（c））；耐火材料的硬化通常需要大于300℃的温度；例如，介于400与650℃之间、优选介于450与550℃之间的温度通常足以硬化大部分耐火材料并烧尽或至少熔化箔片，箔片的消除产生如上所述的包括交错的凹形桥接部的狭缝形通道。 [0045] 本实用新型的工艺特征在于，孔口（24）具有凹形几何形状，其凹侧（24a）朝对应于通道气体出口（3b）的第二箔片部分（23b）取向，并且以交错排列布置，使得通道中从第二箔片部分（23b）延伸到对应于通道气体入口（3a）的相对的第一箔片部分（23a）的任何最短线必然截断至少一个孔口（24）的凹侧（24a）。 [0046] 箔片（24）的厚度限定箔片消除后形成的狭缝通道的宽度W。箔片（23）中的孔口（24）用于形成跨越狭缝通道宽度W的凹形桥接部（4），因为可铸造的耐火材料（25）充填孔口并因此连接位于箔片（24）任一侧的耐火材料。在箔片消除后，形成了由耐火材料制成的具有与箔片的孔口（24）轮廓相同并与箔片厚度W相同的桥接部（4）。 [0047] 如图7（a）至图7（f）中所示，在另一个实施例中，在步骤（b）前首先形成芯部（2a）（参见图7（b）），所述箔片（23）卷绕在所述芯部周围（参见图7（c）和图7（d））。然后在步骤（c）中在腔（21）与卷绕在芯部（2a）周围的箔片（23）之间限定的容积中铸造外层（参见图7（e））。在加热后，可从工具移除吹气塞。该实施例适合于制造混合的“直接/间接渗透”塞，其中形成芯部和主体包围鞘的耐火材料具有不同的组分和/或孔隙率。 [0048] 本实用新型的吹气塞（1）特别适合于将气体注入钢水包、中间包或其他类似的冶金容器中。该吹气塞可以如图5中所示位于此类 冶金容器的底板处，此处吹气塞对熔融金属的渗透最敏感。由于保持凹形桥接部（4）阵列形成渗入到气体通道（3）中的屏障，与现有的吹气塞相比大大延长了吹气塞的使用寿命。此外，与传统吹气塞相反，因为熔融金属的小幅渗入不会引起塞性能的显着下降，可使用比传统认为安全宽度宽的通道。实际上，除有限数量的充满金属的桥接部包含渗入面积和深度外，在硬化后，尽管金属仍充填一些桥接部的凹侧，但将一个桥接部连结到下游的下一个桥接部的薄金属舌常常断裂，因此允许气体甚至在两个充满金属的凹形桥接部之间流动。 |
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