ES2268551T3 - Dispositivo de tapon alargado. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de tapón alargado para el control de flujo de metal fundido de una cuba que contiene metal fundido, comprendiendo dicho dispositivo: a) un cuerpo (10) realizado en un material cerámico refractario, b) un orificio perforado (12) que presenta un eje longitudinal (A) y que se extiende desde la superficie superior (10u) de dicho cuerpo hacia abajo, c) estando equipado dicho orificio perforado (12) a lo largo de su longitud con al menos un anclaje (16) de un material diferente, d) presentando dicho anclaje (16) una forma similar a una lámina, con sus superficies principales (16u, 16l) discurriendo en dirección principalmente perpendicular al eje longitudinal (A) del orificio perforado (12) y una longitud circunferencial que se extiende sobre 20 a 450º de la pared interior de dicho orificio perforado (12), e) estando fijo dicho anclaje (16) en el interior de dicho cuerpo (10) entre la superficie superior (10u) de dicho cuerpo (10) y un extremo inferior de dicho orificio perforado (12)y sobresaliendo radialmente hacia el interior de dicho orificio perforado, f) estando adaptado dicho anclaje (16) para recibir y fijar un extremo roscado (14l) de una barra metálica (14) insertada en dicho orificio perforado (12).
Description
Dispositivo de tapón alargado.
La invención se refiere a un dispositivo de
tapón alargado para el control de flujo de metal fundido, es decir,
para controlar el flujo de metal fundido de una cuba metalúrgica,
tal como una artesa de colada.
Se conoce bien en la fundición de acero el uso
de una barra de tapón refractaria de una pieza que se desplaza
verticalmente mediante el uso de un mecanismo de elevación a fin de
modificar el área en sección transversal de una abertura de salida
de la correspondiente cuba metalúrgica.
Estas barras de tapón se han usado también para
introducir un gas inerte, tal como argón, en el acero fundido para
eliminar inclusiones no metálicas del metal fundido.
En todos los casos, el dispositivo de tapón debe
resistir horas sumergido en metal fundido. Debe ser capaz asimismo
de soportar el choque térmico severo encontrado al comienzo de la
fundición y cualesquiera fuerzas mecánicas impuestas a ésta.
Por tanto, se han realizado muchos intentos de
mejorar las propiedades mecánicas y térmicas de dicho dispositivo
de tapón y de mejorar su comportamiento durante el uso.
El documento EP 0 358 535 B2 describe una barra
de tapón refractaria de una pieza adaptada a un mecanismo de
elevación, que comprende un cuerpo de barra de tapón alargado de un
material refractario, cuyo cuerpo está provisto de un orificio
perforado que presenta un eje longitudinal y se extiende desde una
superficie superior de dicho cuerpo hacia abajo. Dentro de dicho
orificio perforado axial se inserta un manguito metálico para
recibir de manera roscada una parte roscada de una barra metálica
insertada en dicho cuerpo refractario para su sujeción a un
correspondiente mecanismo de elevación.
Un problema con dicho dispositivo es el anclaje
de dicho manguito metálico con el material refractario del cuerpo y
la necesidad de evitar esfuerzos diferenciales entre el cuerpo
cerámico y la inserción del casquillo metálico que pueden provocar
una rotura mecánica del material cerámico durante su funcionamiento
en servicio.
Según la patente DE 198 23 990 C2, se describe
un dispositivo de tapón que proporciona una parte superior del
orificio perforado que materializa una inserción cerámica. Esta
inserción proporciona una rosca interior que corresponde a una
rosca exterior de una barra metálica correspondiente fijada de
manera roscada dentro de dicha inserción después de la inserción de
la barra en dicha inserción roscada. Aunque el uso de dos materiales
cerámicos reduce el riesgo de esfuerzos diferenciales entre el
material del cuerpo y la inserción de retención, subsisten
problemas asociados con la dificultad de mantener una forma de rosca
precisa en un material cerámico de alta resistencia a un coste
aceptable.
Por tanto, es un objetivo de la presente
invención proporcionar un dispositivo de tapón alargado para el
control de flujo de un metal fundido procedente de una cuba que
contiene metal fundido, que sea fácil de producir y proporcione
medios de fijación simples para la sujeción de una correspondiente
barra metálica dentro de un cuerpo cerámico refractario
correspondiente.
Se ha descubierto ahora que puede obtenerse
dicha sujeción de la barra metálica dentro de un orificio perforado
correspondiente del cuerpo cerámico refractario con medios mucho más
simples que un manguito metálico cilíndrico o una inserción
cerámica cilíndrica alargada, a saber, con ayuda de al menos un
anclaje, tal como una pieza similar a una lámina de un material
diferente (comparado con el material del cuerpo), fijándose dicho
anclaje dentro de dicho cuerpo entre la superficie superior de
dicho cuerpo y un extremo inferior del orificio perforado
correspondiente y sobresaliendo radialmente hacia el interior de
dicho orificio perforado, discurriendo sus superficies principales
de forma principalmente perpendicular al eje longitudinal del
orificio perforado dentro de la parte superior del cuerpo.
Al contrario que las construcciones de la
técnica anterior, que describen medios de fijación para la barra
metálica, extendiéndose dichos medios de fijación conocidos a lo
largo de una longitud significativa del eje longitudinal del cuerpo
refractario alargado, la invención proporciona unos medios de
fijación dispuestos de forma principalmente perpendicular al eje
longitudinal de dicho cuerpo y/o de dicho orificio perforado,
respectivamente, y en una posición específica a lo largo de la
longitud de la perforación en el interior de dicho cuerpo. Por
tanto, estos medios de fijación son mucho más pequeños que un
manguito, es decir, se introduce mucho menos material diferente en
el cuerpo cerámico y deben esperarse muchos menos esfuerzos térmicos
y mecánicos entre los medios de fijación (anclaje) y el cuerpo
cerámico.
En otras palabras, dicho anclaje está dispuesto
a una altura específica de dicho dispositivo de tapón alargado a
cierta distancia de su superficie superior y a cierta distancia de
su extremo inferior. Típicamente, está dispuesto en un lugar entre
el 10 y 40% de la longitud total del dispositivo de tapón, calculado
desde el extremo superior del cuerpo refractario, que puede estar a
5-25 cm, típicamente alrededor de 10 cm, del extremo
superior.
Obviamente, tales medios de fijación
generalmente radiales presentan una longitud axial
significativamente más reducida que cualquier inserción o manguito
que se extienda a lo largo del eje longitudinal de un tapón. Por
tanto, cualesquiera esfuerzos mecánicos generados en el cuerpo
cerámico por los efectos de la expansión térmica longitudinal que
surgen de dichos medios de fijación generalmente radiales son mucho
menores que los generados con construcciones de la técnica
anterior.
Además, pueden fijarse fácilmente dentro de los
entornos refractarios cerámicos (material de cuerpo refractario),
por ejemplo durante el prensado isostático de dicho dispositivo de
tapón.
La fabricación se puede realizar como sigue:
Dicho anclaje o anclajes, por ejemplo una pieza o piezas similares
a una lámina, son situados con su porción extrema dispuesta dentro
de hendiduras correspondientes de un mandril adecuado (barra del
núcleo). Se coloca un molde exterior de caucho sobre el conjunto de
mandril y se carga un material cerámico refractario en el espacio
cilíndrico entre el mandril y el molde. A continuación, el molde
que contiene el material refractario, incluyendo los medios de
fijación, es prensado isostáticamente. Después, se retira el molde
exterior, y el mandril, compuesto por al menos dos partes que
discurren longitudinalmente, es retirado del producto compactado
dejando la porción o porciones exteriores del anclaje o anclajes
(piezas similares a una lámina) firmemente embebidas en el cuerpo
cerámico con su extremo o extremos interiores sobresaliendo hacia
una posición o posiciones predeterminadas dentro del taladro
cerámico.
Durante dicha fabricación, puede situarse además
un elemento de sellado dentro de dicho molde, como se describirá
más adelante.
En su forma de realización más general, la
invención se refiere a un dispositivo de tapón alargado para el
control de flujo de metal fundido de una cuba que contiene metal
fundido, comprendiendo dicho dispositivo:
- -
- un cuerpo realizado en un material cerámico refractario,
- -
- un orificio perforado que presenta un eje longitudinal y que se extiende desde una superficie superior de dicho cuerpo hacia abajo,
- -
- estando equipado dicho orificio perforado a lo largo de su longitud con al menos un anclaje de un material diferente, fijado dentro de dicho cuerpo entre la superficie superior de dicho cuerpo y un extremo inferior de dicho orificio perforado y que sobresale radialmente hacia el interior de dicho orificio perforado, discurriendo sus superficies principales en dirección principalmente perpendicular al eje longitudinal del orificio perforado,
- -
- estando adaptado dicho anclaje para recibir y fijar un extremo roscado de una barra metálica insertada en dicho orificio perforado. Según una forma de realización, dicha barra metálica presenta una sección al menos parcialmente roscada en su extremo insertado. Esta sección roscada sirve, junto con el anclaje (medios de fijación), para sujetar dicha barra metálica dentro de dicho orificio perforado de dicho cuerpo refractario.
Será suficiente conseguir dicha sujeción
disponiendo sólo un anclaje, tal como una pieza similar a una
lámina, que sobresale radialmente hacia delante de dicho orificio
perforado. Durante la inserción de la barra en el orificio
perforado la sección roscada de la barra correrá a lo largo de dicha
parte de fijación y proporcionará la sujeción necesaria de dicha
barra dentro de dicho cuerpo.
Obviamente, este medio de fijación (anclaje)
deberá presentar una cierta longitud circunferencial. Puede
extenderse sobre 20 a \leq 360º de la pared interior de dicho
orificio perforado o incluso un poco más.
Especialmente, en casos en los que se extiende
sobre más de 20º, será ventajoso disponer dicha pieza similar a una
lámina con una cierta inclinación (gradiente o pendiente
descendente) con respecto al eje longitudinal del orificio
perforado, pero no es necesario para conseguir el bloqueo
deseado.
Esto es especialmente cierto si el anclaje
(pieza similar a una lámina) presenta la forma más o menos de
anillo, es decir que corre en la dirección circunferencial
alrededor de la superficie interior del orificio perforado en más
de 180º, especialmente más de 270º, y debe inclinarse cuando esta
pieza tenga una longitud de más de 360º. Una posibilidad adicional
es un diseño de anillo de resorte.
Aunque dicho anclaje puede diseñarse como un
anillo, por ejemplo con una longitud circunferencial entre 270º y
\leq 360º o hasta 450º o 300º a 400º, es posible también preparar
dichos medios de fijación con ayuda de al menos dos anclajes,
diseñado cada uno como una sección anular y dispuestos a cierta
distancia entre ellos a lo largo de una línea helicoidal
imaginaria. Una forma de realización adicional proporciona medios
de fijación realizados a partir de tres anclajes, diseñado cada uno
de ellos como una sección anular y dispuestos a distancias iguales
uno de otro a lo largo de una línea helicoidal imaginaria. Incluso
dos o tres pasadores radialmente dispuestos distanciados entre sí,
pueden proporcionar los medios de anclaje necesarios para asegurar
y mantener la barra dentro del cuerpo. El anclaje o anclajes pueden
disponerse también a lo largo de un plano perpendicular al eje
longitudinal de la barra.
Resulta evidente por la explicación anterior que
unos medios de fijación de una pieza constituyen la manera más
conveniente para una producción sencilla de dicho dispositivo de
tapón.
Dichos medios de fijación pueden realizarse en
cualquier material diferente del material del cuerpo refractario y
suficientemente fuerte para recibir de manera roscada la parte
roscada de la barra metálica correspondiente. Por ejemplo, los
medios de fijación pueden realizarse en metal o de cerámica
especial, tal como nitruro de silicio, circonio o alúmina.
Como se ha explicado anteriormente, puede
disponerse un elemento de sellado a lo largo de dicho orificio
perforado y mejor junto a dichos medios de fijación.
Esto mejora la hermeticidad entre el cuerpo
cerámico y la barra metálica, especialmente en casos en los que
dicha barra de tapón se use para introducir un gas en una masa
fundida metalúrgica.
Un elemento de sellado correspondiente (junta)
puede situarse sobre una correspondiente superficie de sellado
anular dispuesta a cierta altura del orificio perforado. Esta
construcción se describe con detalle en la patente EP 1 135 227
B1.
Dichos medios de sellado pueden disponerse
también a lo largo de una pared circunferencial de dicho orificio
perforado por debajo o por encima de dicha parte de fijación y
extendiéndose radialmente hacia el interior de dicho orificio
perforado y longitudinalmente a lo largo de cierta longitud de dicho
orificio perforado y adaptarse para recibir dicha barra de una
manera roscada.
Cuando en esta descripción se hace referencia a
"por encima", "superior", "inferior", "hacia
abajo", etc., esto se refiere al uso típico de tal barra de
tapón, discurriendo de forma principalmente vertical.
Como se ha descrito anteriormente, una pieza
similar a una lámina usada para la sujeción de la barra
correspondiente está dispuesta a lo largo de una posición
longitudinal definida del cuerpo. Por tanto, cuando se introduce la
barra, la correspondiente rosca exterior de dicha barra sobresaldrá
hacia abajo sobre dichos medios de fijación. Esta parte
sobresaliente de la sección de la barra roscada se usa ahora para
proporcionar un sellado efectivo, ya que la misma se grabará en
dicha junta. El material de la junta, que resiste altas
temperaturas, penetra de ese modo en las roscas y provoca un
sellado y una hermeticidad muy efectivos sobre los tramos
correspondientes de dicho sellado y dicha barra,
respectivamente.
Dicho elemento de sellado puede presentar una
forma cilíndrica. Deberá sobresalir hacia el interior del orificio
perforado.
La parte del orificio perforado que recibe el
elemento de sellado puede diseñarse cónicamente con su parte más
pequeña en su extremo inferior.
La barra puede tener entonces una anchura menor
en su parte adyacente a dicho elemento de sellado en comparación
con su parte situada encima.
El elemento de sellado puede realizarse en
cualquier material que resista altas temperaturas como las que
pueden presentarse durante el uso del dispositivo de tapón. El
grafito es uno de esos materiales. Un material posible es un
material de grafito comprimido con una pureza >95% en peso de
carbono y una densidad de aproximadamente 1,4 g/cm^{3}. El
sellado puede presentar la forma de un componente preformado que
puede insertarse en el cuerpo del tapón inmediatamente antes de la
instalación de la barra de soporte de acero o coformarse con el
cuerpo cerámico de la barra de tapón durante el proceso de
producción.
Alternativamente, el sellado puede crearse
durante el proceso de fabricación del tapón por compresión de un
elemento de grafito que comprende polvo de grafito exfoliado o una
bobina de lámina de grafito situada alrededor de la herramienta de
conformación (molde) y rodeada después por el material del cuerpo
cerámico del tapón durante el proceso del llenado del molde.
Parece evidente por la descripción anterior que
si se usa dicho dispositivo de tapón para introducir gas, la barra
correspondiente estará equipada con un taladro axial a través del
cual se suministra el gas. El orificio perforado correspondiente
del cuerpo estará provisto entonces de al menos una abertura en su
extremo inferior.
Detalles adicionales de la invención se
describirán en las reivindicaciones subordinadas y en los otros
documentos de la solicitud.
La invención se describirá ahora con referencia
a una forma de realización que no limita de ninguna forma el
alcance del dispositivo de tapón reivindicado.
La única figura muestra esquemáticamente una
parte superior de un dispositivo de tapón en una vista en sección
transversal parcialmente longitudinal.
El dispositivo de tapón comprende un cuerpo
refractario alargado 10 con un orificio perforado central 12 situado
coaxialmente con respecto al cuerpo 10 y adaptado para recibir
fijamente una barra metálica 14 para su sujeción a un mecanismo de
elevación (no mostrado).
El orificio perforado 12 presenta una forma más
o menos cilíndrica y corre desde una superficie superior 10u del
cuerpo 10 hacia abajo (flecha D) y termina en una abertura (no
mostrada) en un extremo inferior de dicho cuerpo 10.
A una distancia d de la superficie superior 10u,
un anillo metálico 16 similar a una lámina está integrado en el
material refractario del cuerpo 10. Dicho anillo sobresale
radialmente hacia el interior de dicho orificio perforado 12. Las
superficies principales (superficie superior 16u; superficie
inferior 16l) corren de forma principalmente perpendicular a un eje
longitudinal A de dicho orificio perforado 12.
En la figura, dicho anillo plano 16 está
dispuesto de tal modo que forma un ángulo \alpha de
aproximadamente 3 grados con respecto a un plano horizontal
(perpendicular al eje longitudinal A). Este ángulo puede adaptarse
para que encaje con el paso de la forma de rosca de la barra
metálica 14. Dicho anillo 16 no está cerrado sino hendido y
encierra un ángulo de aproximadamente 330º. Los extremos libres de
dicho anillo están desplazados en la dirección longitudinal del
orificio perforado 12.
Este anillo 16 similar a una lámina, que sirve
como medio de fijación para dicha barra 14 y que se describirá más
adelante, ha sido coprensado con el cuerpo 10. Sobresale (se
proyecta) hacia el interior del orificio perforado 12 sobre una
cierta anchura para recibir de forma roscada una rosca exterior 14t
(simbolizada por puntos) de una parte inferior 14l de la barra
metálica 14, que puede tener un paso continuo 14c central
longitudinal (simbolizado por líneas).
Durante el montaje, dicha barra metálica 14 se
introduce en el orificio perforado 12 y es así girada, de forma que
la rosca exterior 14t de la barra 14 se acopla con la parte
sobresaliente 16p del anillo 16.
La barra 14 es introducida después en mayor
medida en el orificio perforado 12 (hacia abajo, flecha D) y se
acopla entonces a una junta de grafito cilíndrica 18 dispuesta sobre
una longitud L enfrente de una pared interior 12w del orificio
perforado 12.
Durante dicha introducción adicional de la barra
14 en el orificio perforado 12, el material de la junta penetra en
espacios de la rosca 14t, proporcionando así un sellado íntimo entre
el cuerpo 10 y la barra 14 sobre toda la longitud L.
Según la figura, la posición final de la barra
14 dentro del orificio perforado 12 se caracteriza por un pequeño
resalte del extremo roscado 14e más allá del extremo del elemento de
sellado 18. Alternativamente, la barra roscada podría acabar dentro
de la longitud del elemento de sellado.
La superficie superior 10u del cuerpo 10 hace
tapón sobre unos medios de bloqueo 20, 22 situados fijamente en la
barra metálica 14, de modo que dicha barra 14 no puede alargarse en
dirección opuesta a la flecha D. Los medios de bloqueo 20, 22
presentan una forma similar a una tuerca y están preparados con
roscas interiores correspondientes a la rosca 14t de la barra
14.
El tamaño limitado de dichos medios de fijación
similares a una lámina (anillo hendido 16) y su disposición en su
mayor parte horizontal (radial) con respecto al diseño de tapón
alargado garantizan una fijación segura de la barra 14 en el
orificio perforado 12, aun cuando, bajo una carga térmica elevada,
dichos medios de fijación metálicos y dicha barra metálica se
expandan por igual en una dirección radial, con poca o ninguna
expansión diferencial en la dirección radial.
Junto con la junta de sellado que sigue hacia
abajo, el diseño descrito lleva a un dispositivo de tapón mejorado
que puede usarse para diferentes finalidades, es decir, para
suministrar un gas a lo largo del canal 14c y el orificio perforado
12 a una masa fundida metálica. El contacto íntimo entre la junta 18
y la rosca exterior 14t de la barra 14 son, además, responsables de
la compresión radial del elemento de sellado y de la hermeticidad
mejorada de dicho dispositivo. La expansión de la barra metálica a
una temperatura de servicio sirve para incrementar aún más la
eficiencia del sellado por el mantenimiento de fuerzas de compresión
sobre el sellado.
En la dirección longitudinal, los medios de
fijación deberán ser tan pequeños como sea posible. Pueden tener un
"espesor" de \leq 5 mm, \leq 3 mm, \leq 2 mm o incluso
\leq 1 mm, mientras que la "longitud" (L) de dichos medios
de sellado puede ser \geq 10 mm, \geq 20 mm, \geq 30 mm o
\geq 40 mm.
La invención incluye formas de realización con
dos o más medios de fijación en diferentes posiciones a lo largo
del eje longitudinal de la barra de tapón alargada, es decir, los
medios de fijación respectivos están a cierta distancia entre sí
(en la dirección longitudinal del orificio perforado). La distancia
puede estar comprendida en el intervalo de unos pocos cm o más.
Estos medios de fijación singulares pueden cooperar con una o más
roscas exteriores de la barra metálica.
Claims (14)
1. Dispositivo de tapón alargado para el
control de flujo de metal fundido de una cuba que contiene metal
fundido, comprendiendo dicho dispositivo:
- a)
- un cuerpo (10) realizado en un material cerámico refractario,
- b)
- un orificio perforado (12) que presenta un eje longitudinal (A) y que se extiende desde la superficie superior (10u) de dicho cuerpo hacia abajo,
- c)
- estando equipado dicho orificio perforado (12) a lo largo de su longitud con al menos un anclaje (16) de un material diferente,
- d)
- presentando dicho anclaje (16) una forma similar a una lámina, con sus superficies principales (16u, 16l) discurriendo en dirección principalmente perpendicular al eje longitudinal (A) del orificio perforado (12) y una longitud circunferencial que se extiende sobre 20 a 450º de la pared interior de dicho orificio perforado (12),
- e)
- estando fijo dicho anclaje (16) en el interior de dicho cuerpo (10) entre la superficie superior (10u) de dicho cuerpo (10) y un extremo inferior de dicho orificio perforado (12) y sobresaliendo radialmente hacia el interior de dicho orificio perforado,
- f)
- estando adaptado dicho anclaje (16) para recibir y fijar un extremo roscado (14l) de una barra metálica (14) insertada en dicho orificio perforado (12).
2. Dispositivo de tapón según la
reivindicación 1, en el que dicha barra metálica (4) presenta una
sección (14l) al menos parcialmente roscada en su extremo
insertado.
3. Dispositivo de tapón según la
reivindicación 1, que comprende un elemento de sellado (18) que está
dispuesto junto a dicho anclaje (16).
4. Dispositivo de tapón según la
reivindicación 3, en el que dicho elemento de sellado (18) está
dispuesto a lo largo de la pared circunferencial (12u) de dicho
orificio perforado (12) por debajo de dicha parte (16),
extendiéndose radialmente hacia el interior de dicho orificio
perforado y longitudinalmente a lo largo de una cierta longitud (L)
de dicho orificio perforado (12) y adaptado para recibir dicha barra
(14) de una manera enroscable.
5. Dispositivo de tapón según la
reivindicación 3, en el que dicho elemento de sellado (18) presenta
una forma cilíndrica.
6. Dispositivo de tapón según la
reivindicación 3, en el que la parte del orificio perforado (12) que
recibe el elemento de sellado (18) está diseñada cónicamente con su
parte más pequeña en su extremo inferior.
7. Dispositivo de tapón según la
reivindicación 3, en el que dicha barra (14) tiene una anchura menor
en su parte que entra primero en dicho elemento de sellado (18) que
en su parte situada por encima.
8. Dispositivo de tapón según la
reivindicación 3, en el que dicho elemento de sellado (18) está
hecho de grafito.
9. Dispositivo de tapón según la
reivindicación 1, en el que dicho anclaje (16) está constituido por
al menos dos láminas diseñadas cada una de ellas como una sección
anular y dispuestas a distancia una de otra a lo largo de una línea
helicoidal imaginaria.
10. Dispositivo de tapón según la
reivindicación 1, en el que dicho anclaje (16) está constituido por
tres láminas diseñadas cada una de ellas como una sección anular y
dispuestas a distancias iguales una de otra a lo largo de una línea
helicoidal imaginaria.
11. Dispositivo de tapón según la
reivindicación 1, en el que dicho anclaje (16) es un anillo de
resorte.
12. Dispositivo de tapón según la
reivindicación 1, en el que dicho anclaje (16) está hecho de
metal.
13. Dispositivo de tapón según la
reivindicación 1, en el que dicha barra (14) presenta una
perforación axial (14c).
14. Dispositivo de tapón según la
reivindicación 1, en el que el anclaje o anclajes (16) está(n)
dispuesto(s)
a un ángulo \alpha comprendido entre 1 y 5º con respecto a un plano perpendicular al eje longitudinal (A) del orificio perforado (12).
a un ángulo \alpha comprendido entre 1 y 5º con respecto a un plano perpendicular al eje longitudinal (A) del orificio perforado (12).
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