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TWI640375B - 注口組件及其耐火元件、生產耐火元件的方法、連結兩個耐火元件的方法、密封構件的成分、及使用膨脹密封構件將耐火元件的接觸介面密封 - Google Patents

注口組件及其耐火元件、生產耐火元件的方法、連結兩個耐火元件的方法、密封構件的成分、及使用膨脹密封構件將耐火元件的接觸介面密封 Download PDF

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TWI640375B
TWI640375B TW101146596A TW101146596A TWI640375B TW I640375 B TWI640375 B TW I640375B TW 101146596 A TW101146596 A TW 101146596A TW 101146596 A TW101146596 A TW 101146596A TW I640375 B TWI640375 B TW I640375B
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詹姆士 歐文史東
周馬丁
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美商維蘇威美國公司
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Abstract

本發明係關於一種注口組件(20、30)，用於從滑動柵及管交換裝置選出的金屬鑄造設備，此注口組件包括：第1耐火元件(1)，包括含有第1通孔之第1連結表面(1a)；及第2耐火元件(11)，包括含有第2通孔之第2連結表面(11a)，此第1及第2耐火元件通過其等個別的第1及第2連結表面而彼此連結為滑動平移的關係，使得第1及第2通孔可形成對準或從此等對準退出，當在對準時，形成一連續通孔(3、13)用於將熔融金屬從注口組件之熔融金屬入口(13a)排送到熔融金屬出口(3b)；一密封構件(2)，設置在第1及第2耐火元件之第1及第2連結表面之間，其特徵乃係密封構件(2)包括一熱膨脹材料。

Description

注口組件及其耐火元件、生產耐火元件的方法、連結兩個耐火元件的方法、密封構件的成分、及使用膨脹密封構件將耐火元件的接觸介面密封
本發明一般係關於一種連續金屬鑄造線。尤其係關於一種密封，特別是關於一密封，尤其適合用於密封以平移滑動關係連結的金屬鑄造線中之注口組件的元件之間的介面，元件係如滑動柵裝置中之柵板或適於與管交換裝置一起使用之注口單元。
在金屬形成過程中，熔融金屬從一個冶煉槽轉移到另一個、到一個模型或到一工具。例如第1圖所示，一澆桶(100)充滿從爐子中熔出的金屬且轉移到一漏斗(200)。然後熔融金屬可從漏斗到一連續鑄造模中鑄造，以形成平板、塊料、毛胚或其他型式之連續鑄造產品，或在鑄造模中形成鑄錠或其他分別形成的形狀。從冶煉槽熔出的金屬流動係藉著通過裝設在此等冶煉槽之底部的許多注口組件(20、30)的重力來驅動。
此等注口組件之某些包括許多可相對於彼此移動的元件。例如，澆桶(100)在其底板(100a)設置有如第2圖所示之一滑動柵裝置(20)，其將埋入於澆桶地板的耐火塗層中之內注口(21)連結到延伸至澆桶之外側的浮集式注口(22)。包括一通孔的柵板(25)被挾持於內注口與浮集式注口之間，且可在兩者之間線性地滑動，以使其通孔進入與內及外注口注口的通孔之對準或退出此等對準。
另一例係一管交換裝置(30)，裝設在漏斗(200)之底板，以用於將含在漏斗中的熔融金屬輸出到模型或工具 中。其包括一埋入於漏斗地板的耐火塗層中之內注口(31)及一延伸到漏斗外側之澆注口(32)。因為此澆注口之服務期間通常比完全鑄造操作短，藉著沿著適當的引導機構滑動一新的澆注口以將損壞的澆注口推出或更換而在不中斷鑄造操作下容許澆注口(32)之更換，故能經常使用管交換裝置，如第3及4圖所示。
被連結的元件之間的介面之空氣的完全緊密性，在金屬鑄造設備上係至關重要，因為在一方面，大部分熔融金屬在此高溫下與空氣接觸時快速氧化，且在另一方面，因為流動通過注口通孔，使空氣吸入藉文度里效應在任何不緊密介面產生。此問題對於在操作期間可移動而又必須保持其等完全密封性之元件特別敏感。
為了防止空氣在注口組件之元件之間的介面處被吸入間隙內，兩個元件藉著如彈簧之夾住機構彼此連結，施加強的力量以將兩個元件之接觸表面彼此壓緊在一起。此解決方案有限制性，因為太高的夾住力會傷害兩個元件相對於彼此之滑動，且假若在介面上有如某些局部的粗糙之小缺陷時會無效率。一氣墊經常藉注入如氬或氮氣使其通過設置或鄰接於介面之通道而被使用。但是此解決方案消耗大量的氣體且並不能完全防止空氣之吸入。滑動接觸的表面經常塗佈一層如石墨的潤滑劑，係埋置於如水玻璃之結合劑及如火山灰等之黏土的添加物中。此潤滑劑層在某些程度作為兩耐火表面之間的介面之密封，但是注口組件之周圍環境是如此極端而在局部具很高之溫度及高的熱陡度，使得密封效果通常不充 分而致無法確保組合之空氣完全緊密。
本發明提供一解決方案，用於確保注口組件之兩耐火表面之間的空氣緊密介面，即使當兩耐火表面被連結成彼此為滑動平移關係時亦然。本解決方案不需要連結表面之任何精細加工。
本發明由附加的獨立項申請專利範圍定義。依附項申請專利範圍形成較佳的實施例。尤其，本發明係關於用於選自滑動柵及一管交換裝置的金屬鑄造設備之注口組件，此注口組件包括：- 第1耐火元件，包括含有第1通孔之第1連結表面；及- 第2耐火元件，包括含有第2通孔之第2連結表面，第1及第2耐火元件通過其等個別的第1及第2連結表面而彼此連結為滑動平移的關係，使得第1及第2通孔可形成對準或退出此等之對準，當在對準時，形成一連續通孔用於將熔融金屬從注口組件之熔融金屬入口排送到熔融金屬出口；- 一密封構件，設置在第1及第2耐火元件之第1及第2連結表面之間，其特徵為：密封構件包括一熱膨脹材料。
在本說明梳翁，「注口組件」係定義為包括至少一個注口之任何組合，此注口含有可使從冶煉槽流出的熔融金屬進行鑄造的通孔。
依本發明的注口組件之膨脹密封構件較佳為具有： - 一初始膨脹溫度Ti，至少為130℃、較佳為至少400℃、更佳為至少600℃，及/或- 一最大相對膨脹Vmax/V20，在包括Ti與1400℃之間的最大膨脹之溫度Tmax時，針對在20℃時測量的體積，此最大相對膨脹至少為10，較佳為至少25，更佳為至少50，最佳為至少80
「熱膨脹材料」(Intumescent material)係由於暴露於熱引起膨脹因而體積增加且密度減少之物質。膨脹材料之膨脹通常係此材料之至少一個成分之相變化造成，且與一般線性地隨溫度增加DV=aDT的通常熱膨脹有清楚地區別，其中a係熱膨脹係數。適於本發明之膨脹材料可包含層化材料，其係藉在諸層間插入其他材料而修改，以在曝露於熱時會膨脹，例如：- 可膨脹石墨、黏土、雲母、或珠光體，其包括下列之一或多種為較佳：硫酸、硝酸、磷酸、如醋酸或酚酸之有機酸及其等之鹽、插入於相鄰結晶層之間的氯及溴氣；插入含有硫或磷之化合物的可膨脹石墨；- 蛭石，較佳為蛭石及黑雲母之間層之形狀。
在本發明之一個實施例中，膨脹密封構件係較佳為包含在0.1與3.0mm之間、更佳為0.2與1.0mm之間、最佳為0.3與0.6mm之間的未膨脹厚度之塗佈層。此塗佈層可隨意地被一最後之密封層蓋住，例如一標準石墨混合物。密封構件因而可被塗佈在一要部上，較佳為第1及/或第2連結表面之全體。或者，密封構件可被塗佈到第1及/或第2連結表面上之溝槽內，個別局部地圍住 至少第1及/或第2通孔。溝槽較佳為至少0.5mm深，更佳為至少1.0mm深，最佳為至少3.0mm深。
在另一實施例中，密封構件可為墊片之形式，較佳為套疊在第1及/或第2連結表面上的溝槽內，個別局部地圍住至少第1及/或第2通孔。
密封構件可包括：- 5-95wt.%之膨脹材料，包括可膨脹石墨及/或蛭石；- 5-95wt.%之結合劑，如水玻璃，較佳為與聚乙二醇(PEG)、黏土、Na2CO3、CaCO3、MgCO3、NaHCO3、Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2之一或多個混合；- 0-80wt.%之潤滑劑，如(不可膨脹)石墨；- 0-20wt.%之抗氧化劑，如鋁、矽、或鉬，其中，wt.%係針對密封構件成分之總乾重量的固體乾重量而測量者。
在一較佳實施例中，膨脹材料係被封入於微形外殼內，此微形外殼在暴露於一給定溫度或機械應力時，例如使一個連結表面在其他一個連結表面上滑動時受到剪力時可流動、揮發、或分解。此等微形外殼有利地包含水玻璃、膠狀二氧化矽或磷酸鋁，較佳為宜以0.5-80 wt.%、更佳為5-30wt.%之範圍的量存在的黏土、Na2CO3、CaCO3、MgCO3、NaHCO3、Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2之一或多個。此保護性外殼層可為：- 塗到一底漆上，較佳為包含重量比為在3：8與3：1之間、較佳為1：1與3：2之間的苯酚樹脂及呋喃甲醛之混合物，此底漆直接被塗佈到膨脹薄片上；及/或 - 被一最後頂層所覆蓋，此最後頂層較佳為包含苯酚樹脂及呋喃甲醛之混合物。
本實施例尤其適合於可交換澆注口，因為其等經常在被安裝在管交換裝置之前被預熱。事實上，封入外殼確保膨脹材料僅在當第1連結表面被裝在注口組件中且在滑動時暴露到剪斷應力及/或在澆鑄位置暴露於高溫時開始膨脹。
本發明亦關於用在金屬鑄造設備之注口組件的耐火元件，此耐火元件包括第1通孔，此第1通孔係在適於與第2耐火元件之第2連結表面連結成滑動平移關係的第1且大致為平面狀連結表面上，其特徵為：此耐火元件之第1連結表面設置含有一熱膨脹材料的密封構件。 密封構件及膨脹材料較佳為如上所述者。本發明之耐火元件較佳為下列之一種：- 澆注口，適於被安裝在管交換裝置會從管交換裝置卸除；- 一內注口，被安裝在冶煉槽之底板且被固定到管交換裝置；- 滑板，在安裝於澆桶或漏斗下面的一滑動柵裝置中；- 固定板，與安裝於澆桶或漏斗下面的一滑動柵裝置中的滑板(25)作滑動接觸。
本發明亦關於一種用於生產如上所述之耐火元件的方法，包括下列步驟：(a)設置一耐火元件，此耐火元件包括第1通孔 (3)，此第1通孔係開設在適於與第2耐火元件之第2連結表面連結成滑動平移關係的第1且大致為平面狀連結表面上；(b)塗佈一密封構件到第1連結表面，較佳為圍住通孔；其特徵為：密封構件包括一熱膨脹材料。
密封構件可被塗佈到第1連結表面，以作為：- 一塗層，蓋住第1連結表面之全體或僅一部分，藉塗刷、噴灑、刮水刷或輥之使用、如網印或凹版印刷之印刷；- 一塗層，藉噴射、刮刷、鑄造而填充一設置在第1連結表面上之溝槽且圍住通孔之開口；或- 一預成型之墊子，配合到設置在第1連結表面上之溝槽且較佳為圍住通孔之開口。
一旦包括一圍住第1連結表面上之通孔的膨脹密封構件之耐火元件已經藉上述方法製成之後，其可：- 藉著將第1連結表面滑動平移到含有注口組件之第2耐火元件的第2通孔之第2連結表面上而連結，使得密封構件接觸第1及第2連結表面兩者且使得第1及第2通孔可形成對準或從此等對準退出，當在對準時，形成從熔融金屬入口到熔融金屬出口的一連續通孔；然後，如此連結的第1及第2耐火元件可：- 被加熱到至少充分使密封構件之膨脹材料脹大的溫度。
在此溫度點，通過注口的熔融金屬之鑄造能以很少 之空吸入氣通過第1及第2耐火元件之間的介面的風險而發生。
被加熱到充分地使膨脹材料脹大的溫度之步驟，可依靠被傳遞到膨脹材料的熔融金屬之熱，或必然包含熱之另外來源，如另外之燃燒器等。
在第1耐火元件及密封構件在連結到第2耐火元件之前被預熱到一預熱溫度之情況，膨脹材料在被安裝到對應的注口組件之前必須避免達成其最大之膨脹。此可依下列達成：- 藉維持預熱溫度在膨脹材料之最大膨脹的溫度Tmax之下，且較佳為在初始膨脹溫度Ti以下，或者- 藉著將膨脹材料封入外殼內，此外殼係在將第1耐火元件(i)滑動到鑄造位置進入注口組件及/或(ii)在鑄造熔融金屬時會化學及/或機械及/或熱破壞。
本發明以簡單且可靠的方式解決防止空氣藉文度里效應(Venturi effect)通過兩個耐火元件被吸入流動通過注口組件的熔融金屬內的問題。本發明對將連結成滑動平移關係如第2至4圖所示在一滑動柵或一管交換裝置的兩個耐火表面之間的介面加以密封尤其有利。當兩個耐火表面靜態連結時，雖然仍係挑戰，但是有點容易將兩零件之間的接合加以密封。當兩個元件動態地被連結時，將兩零件之間的接合加以密封的挑戰大幅地提高。本發明面對此挑戰。
當兩個耐火元件以平移滑動關係被連結時，如第3 及4圖所示一可交換澆注口(32)在裝設於漏斗之底部的管交換裝置(30)，或如第2圖所示一滑動柵(25)在一滑動柵裝置(20)中，極難以確保兩個耐火元件之連結表面(1a、11a)之間的完全緊密度。事實上，施加到動態連結元件的夾住力並不如靜態地連結元件之間者來得高，因而擔心兩連結表面之間的滑動受到阻礙，其提高兩個元件之間的間隙之風險。一個連結表面在另一個上之滑動會在接合處造成刮傷，此會容易地轉變為空氣之洩露通道。最後，欲在接合處之周圍具有珠子運轉之兩個元件之間將接合處密封幾不可能，因為當相對於另一元件移動一個元件時，珠子會破裂。雖然並不滿意地解決，但本發明以很簡單、廉價且有效的方式解決此長久以來的習知問題，藉著在兩個耐火元件之第1及第2連結表面之間設置含有熱膨脹材料之密封元件(2)。嚴格地來說，名詞「熱(thermally)」係多餘的，因為膨脹材料係定義為在暴露到熱時會脹大的材料，但是其必須被特定此名詞「熱」，以避免由於其他來源造成的脹大對名詞「膨脹」之任何(不當)延伸解讀，例如暴露到水，此在熔融金屬鑄造注口組件中係無法接受的。
有很多具不同特性的膨脹材料。其等被廣泛地使用在防火之應用中。在此等應用中，藉著暴露由火災產生的熱之水合作用，水之吸熱釋放可利用來使結構的溫度被維持為低，且此材料之燒焦物通常係不良的熱導體。其等通常被應用在防火門、窗、及管子。為了本發明，膨脹材料之重要特徵係在其等之膨脹特性。特別適於本 發明之一膨脹密封件(2)宜具有初始膨脹溫度Ti至少為130℃，較佳為至少400℃，更佳為600℃。包括於Ti與1400℃之間的最大膨脹，在溫度Tmax之最大相對膨脹Vmax/V20，相對於在20℃時測量的體積至少為10，較佳為至少25，更佳為至少50，最佳為至少80。
膨脹材料通常包含一層化主材料，其係將其他材料插入相鄰層之間而更改。在加熱時，插入相鄰層之間的材料改變其相態，通常變成氣體且因而大幅增加其體積，且產生強的壓力將主材料之相鄰的層推離。此突然且有時大幅的膨脹被稱為膨脹或剝落。對一給定主材料之膨脹的大小係視許多參數而定。首先，插入材料的性質會影響膨脹之大小及膨脹產生時之溫度。針對一給定膨脹材料，主材料粒子之尺寸亦影響材料之膨脹比率。膨脹材料之加熱速率亦影響其對熱之反應，與高加熱速率比較時為慢加熱速率較少的膨脹。最後，將膨脹材料封入外殼中亦會延遲材料之膨脹。
適於依本發明之注口組件的密封元件(2)中之膨脹材料的例子包括下列之一或其下列之混合物：- 可膨脹石墨、黏土、雲母、或珠光體，其包括一或多種酸及其鹽，如硫酸、硝酸、磷酸、如醋酸或酚酸之有機酸、及鹵素、鹼金屬、氯化鋁、氯化鐵、其他金屬鹵化物、硫化砷、硫化鉈、插入於相鄰的結晶石墨烯層之間的氯及溴；- 蛭石，較佳為如美國專利US5340643中揭示的蛭石及黑雲母之間層之形狀，美國專利US5340643之揭示 在此援用作為參考；此等混合物中以可膨石墨為較佳。
膨脹材料包括至少一種膨脹材料，較佳為包含在5與95wt.%之間的量。其他材料宜使用：- 一結合劑可被用來將膨脹粒子結合在一起或將此粒子封入外殼中。適宜的結合劑之一例係水玻璃，較佳為與黏土、Na2CO3、CaCO3、MgCO3、NaHCO3、Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2之一或多個混合。結合劑較佳為以5-95wt.%之量存在。
- 一潤滑劑對促進一連結表面在另一連結表面上之滑動特別有用。
適於本發明之一例為(非可膨脹)石墨。其較佳為以包含於0與80wt.%之間，較佳為10與50wt.%之間，更佳為15與40wt.%之間，最佳為20與35wt.%之間的量存在。
- 一抗氧化劑用來保護密封材料暴露到極熱之情況。抗氧化劑之一例係鋁，其能以0到20wt.%之間、較佳為2到10 wt.%之間的量存在。
wt.%係相對於密封構件成分之總乾重量的固體乾重量而測量者。
膨脹構件(2)可為在連結表面(1a、11a)上之塗層的形式。膨脹構件(2)可被塗佈相當部分，較佳為在第1及/或第2連結表面(1a、1b)之全體(參考第2圖滑板(25)之底部，及第3及5(a)圖)。不膨脹塗層之厚度可為0.1與3.0mm之間，更佳為0.2與1.0mm之間、最佳為0.3與0.6mm之間的大小，或者，膨塗層可為如第5(b)圖所示 被塗佈到圍住(至少局部地)通孔(3a)之溝槽內。溝槽可為至少0.5mm深，更佳為至少1.0mm深，最佳為至少3.0mm深，且較佳為充填未膨脹密封材料到其深度之至少50%，較佳為75%。溝槽亦可完全充填密封材料至在其未膨脹狀態與連結表面齊平。
在另一實施例中，密封構件(2)可被形成為墊子(參考第2圖滑板(25)之頂部，及第3及5(c)圖)。此墊子可為如第5(c)圖所示被安裝到圍住(至少局部地)通孔(3a)之溝槽內。
為了避免熱衝擊，耐火元件在安裝且在高溫下與熔融金屬接觸之前被預熱。在某些情況，預熱在原處執行，但是有時在與鑄造設備分隔的爐子中執行。此被稱為「離線預熱」。此通常在管交換裝置(30)中的情況，其中一新的澆注口，在將其承載到裝置內且滑動其到鑄造位置之前，在一爐子中被預熱到一預熱溫度，以防止由於太高的熱衝擊而形成龜裂。在離線預熱時，有密封構件(2)在預熱及轉移階段的期間太早膨脹的風險，此必須被避免。此可藉預熱澆注口到起始膨脹溫度Ti之下或至少最大相對膨脹的溫度Tmax之下很容易地達成。在較佳實施例中，膨脹材料係被封入於微形外殼內之薄片狀形式。此微形外殼在阻止膨脹材料之膨脹的預熱階段期間必須「封閉」且在金屬的鑄造期間必須「開放」，以釋放密封構件之膨脹來達成其高的密封功能。微形外殼之「開放」能以許多方法來啟動。微形外殼可由在預熱溫度時為固體且在鑄造溫度時必須熔解、揮發、或分解的材料來製 成。名詞「分解」可包含一潛在失敗機制，其係基於隨溫度增加且被可膨脹石墨所施加到一點大到足以破壞外殼的力。或者或伴隨地，微形外殼會由於將澆注口之連結表面滑動到管交換裝置時產生的剪斷應力而機械地破壞。微形外殼有利地包含水玻璃、膠狀二氧化矽或磷酸鋁，較佳為宜以0.5-80 wt.%範圍更佳為5-30 wt.%內之量、更佳為5-30wt.%之範圍的量存在的黏土、Na2CO3、CaCO3、MgCO3、NaHCO3、Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2之一或多個。
微形外殼可包含許多層，上述成分構成一保護性外殼層，其可被施加到先前塗佈到膨脹薄片上之底漆，及/或可藉一最後頂塗層而蓋住。底漆有利地用於增強保護性外殼層對膨脹薄片層之表面的潤濕性及附著性，尤其在具有如可膨脹石墨之低表面能的材料之情況。例如，底漆包含重量比為在3：8與3：1之間、較佳為1：1與3：2之間的苯酚樹脂及呋喃甲醛之混合物。此底漆直接被塗到膨脹薄片層上。一通常被施加到耐火元件的最後之頂塗層可協助穩定外殼保護層抵抗來自最後塗層之液相的化學攻擊，此最後頂塗層一般包含水玻璃、膠狀二氧化矽、磷酸鋁或其他材料。最後頂塗層可包含苯酚樹脂及呋喃甲醛之混合物。
石墨塗層可包含一或多個層。塗佈材料必須以擴散或溶液形式使用，且視膨脹薄片之尺寸及表面積而定，以相對於膨脹薄片之重量包含在1與50wt.%、較佳為10-20wt.%之間的量之塗佈溶液被塗佈到膨脹薄片。塗層 必須能夠乾燥或設在一硬又強的外殼，以防止氧氣撞擊在膨脹材料，因而減少剝落及膨脹的傾向。此外殼亦產生機械強度足夠抵抗在低溫時的膨脹過程。因而直到此外殼失去其強度時的溫度到達之前可防止膨脹材料之膨脹。除了機械地限制膨脹之外，微型外殼之第2個功能在減少氧氣接近到石墨的內層間。此大幅地減少膨脹。一旦外殼破裂時，空氣進入且膨脹變成較大且更強力。
如上所述之密封構件(2)可施加到注口組件(20、30)之許多耐火元件(1、11)。尤其，在安裝於冶煉槽(100、200)之底板上的管交換裝置(30)中，此密封構件可被施加到澆注口(32)及/或內注口(31)之連結表面。如第2圖所示，在安裝於澆桶(100)或漏斗(200)之底板上的滑動柵裝置(20)中，滑動柵裝置及滑動板(25)在兩個固定板之間滑動，一滑動板(25)包括一通孔且挾持於內注口(21)與一浮集式注口(22)可滑動使通孔與內注口及浮集式注口的通孔對齊或退出對齊(比較第(2(a)&(c)圖與第(2(b)&(d)圖)。有許多型式的滑動柵裝置，兩種最進步的款式概略地圖示在第2(a)&(b)圖與第(2(c)&(d)圖。內注口埋入於冶煉槽的底板中且連結到滑動柵裝置之頂固定板。在第2(a)&(b)圖所圖示的第1實施例中，浮集式注口被固定到滑動板(25)且與其一起移動到頂固定板之接觸表面的上方。在第(2(c)&(d)圖所圖示的第2實施例中，浮集式注口被連結到底固定板。密封構件(2)視滑動柵裝置之類型而定，可施加到一個固定板之接觸表面及/或滑動板(25)之一或二個表面。被施加到滑動板(25)之頂連結表面 的一密封構件(2)係圖示於第(2(c)&(d)圖中，且被施加到滑動板(25)之頂及底表面的一密封墊圈(2)被圖示於第2(a)&(b)圖及第(2(c)&(d)圖中。
設有依本發明之膨脹密封構件(2)的一耐火元件(1)能被加工而不必大幅地改變此習知耐火元件的正常生產，且僅需要此耐火元件之連結表面的一額外塗佈步驟。
包含依本發明圍住第1連結表面(1a)上之通孔的膨脹密封構件(2)之一耐火元件(1)，可依下列方式使用。其可隨意地被預熱到一預熱溫度，注意不要在此隨意步驟期間啟動密封構件之完全膨脹。其次，耐火元件(1)可藉著使該第1連結表面(1a)在包含有注口組件之第2耐火元件(11)的第2通孔之第2連結表面(11a)上方滑動平移而被連結。連結表面(1a、11a)之滑動平移能使第1及第2通孔對準或退出對準，當對準時能形成從熔融金屬入口(13a)到熔融金屬出口(3b)的連續通孔。當暴露到鑄造溫度時，密封構件(2)膨脹而施加壓力到兩個接合的耐火元件(1、11)之連結表面(1a、11a)，且因而有效地將接頭密封。鑄造能在少的或無空氣進入通過接頭之風險的情況而進行。密封構件(2)之膨脹產生的壓力係遠小於施加用以將兩個耐火元件(1、11)連結在一起之夾住壓力，因而並不造成兩元件之大幅分離。密封構件之膨脹確保在接頭處之間隙能適當地填充因而將澆鑄孔(3)密封與大氣隔離。
如上述，若有的話，膨脹材料之膨脹必須在預熱階段進行，以避免在注口組件中被連結到第2耐火元件之 前達到其完全膨脹。此可依下列達成：- 維持預熱溫度在膨脹材料之最大膨脹的溫度Tmax之下，較佳為在初始膨脹溫度Ti以下，或者- 將膨脹材料封入外殼內，此外殼係在(i)將第1耐火元件滑動到進入注口組件的鑄造位置及/或(ii)在鑄造熔融金屬時會形成化學及/或機械及/或熱破壞。
表1顯示適於本發明之密封構件的5種成分(EX1-5)及一個比較例(CEX6)。在此例中，可膨脹石墨係藉著將硫酸鹽插入於石墨層之間，有時稱為「重硫酸鹽」。蛭石係成分為37-42%SiO2、9-17%Al2O3、11-23%MgO、5-18%CaO的網目100的粉末。
密封構件之熱學特性可依需求調整。例如，雖然EX5之成分在450℃完全膨脹，但EX4之一個只有在650℃膨脹。在鋼鑄造生產線之管交換裝置中的實際規模測試之後，連結表面塗佈有成分為EX1之密封構件的澆注口之SEM-EDX查驗大致證明無腐蝕，在表面積上具很少的細孔，與整個半中測定的多孔度相當。對照地，在未塗佈的耐火板、及在塗佈成分CEX6的板上執行的相同試驗顯示有大量的腐蝕及與整體多孔度相當的表面多孔度之增加，以及在腐蝕區域上由氧化的CEX6塗佈材料形成的厚反應層。在板表面、靠近通孔上偵測到MnO及其他氧化物的蹤跡，局部與耐火元件反應且形成一較低熔融溫度材料，此材料逐漸地被流動的金屬沖走。由於塗佈有依本發明EX1密封成分的注口板之優異穩定性，明顯地一膨脹材料之存在大致可強化本發明之接頭的緊密 度，因而延長耐火元件之服務壽命且強化鑄造金屬的品質。
在空氣中1000℃執行的火燒試驗提議，在無強的結合劑時，蛭石(EX2)及可膨石墨兩者傾向於強力地氧化且失去整體性。如水玻璃之結合劑的加入到可膨脹蛭石及石墨微粒可改善其等對氧化的抵抗力及塗層之整體性(EX1,3-5)。
wt.%係針對固體重量測量。去離子水被加到100%WT.%固體之頂部。
本發明在金屬鑄造設備上構成一種突破，因為塗佈到耐火元件(1)之連結表面(1a)的膨脹密封構件(2)大致提高了此元件之服務壽命，且確保較佳品質之金屬，具 與入侵空氣反應形成的氧化物含量較少，比至今所能達成的耐火材料更弱的耐火材料之腐蝕產生的注口殘渣較少。
1‧‧‧第1耐火元件
11‧‧‧第2耐火元件
1a‧‧‧第1連結表面
11a‧‧‧第2連結表面
13‧‧‧連續通孔
13a‧‧‧熔融金屬入口
2‧‧‧密封構件
20‧‧‧滑動柵裝置/注口組件
21‧‧‧內注口
22‧‧‧浮集式注口
25‧‧‧滑動柵
3‧‧‧澆鑄孔/連續通孔
3b‧‧‧熔融金屬出口
30‧‧‧管交換裝置/注口組件
32‧‧‧澆注口
100‧‧‧澆桶/冶金槽
100a‧‧‧板
200‧‧‧漏斗/冶金槽
第1圖係概略地顯示通常連續鑄造線之圖。
第2圖係顯示依本發明之滑動柵裝置的第1(a)&(b)及第2(c)&(d)實施例的側剖視圖。
第3圖係顯示依本發明之管交換裝置的立體剖視圖。
第4圖係顯示依本發明之另一管交換裝置的立體剖視圖。
第5圖係顯示依本發明含有一密封構件的連結表面之許多實施例的側視圖。

Claims (17)

  1. 一種注口組件(20、30)，用於選自滑動柵及管交換裝置的金屬鑄造設備，該注口組件包括：第1耐火元件(1)，包括含具有第1通孔之第1連結表面(1a)；及第2耐火元件(11)，包括含具有第2通孔之第2連結表面(11a)，該第1及第2耐火元件通過其等個別的該第1及第2連結表面而彼此連結為滑動平移的關係，使得該第1及第2通孔可形成對準或退出此等之對準，當在對準時，一連續通孔(3、13)用於將熔融金屬從該注口組件之熔融金屬入口排送到熔融金屬出口；一密封構件(2)，設置在該第1及第2耐火元件之該第1及第2連結表面之間，其特徵為：該密封構件(2)包括一熱膨脹材料，該熱膨脹材料包含一層化材料，其係藉著在諸層間插入其他材料而修改者，以在曝露於熱時造成膨脹；其中該密封構件包括：5-95wt.%之熱膨脹材料，包括可膨脹石墨及/或蛭石；5-95wt.%之結合劑，如水玻璃；0-80wt.%之潤滑劑，如(不可膨脹)石墨；0-20wt.%之抗氧化劑，如鋁、矽、或鉬，其中，wt.%係按固體乾重相對於該密封構件組合物之總乾重測量的。
  2. 如申請專利範圍第1項之注口組件，其中該密封構件(2)具有：一初始膨脹溫度Ti，至少為130℃，及/或一最大相對膨脹Vmax/V20，係在包括Ti與1400℃之間的最大膨脹時之溫度Tmax下測得的體積，相對於其在20℃下測得的體積，此最大相對膨脹至少為10。
  3. 如申請專利範圍第1之注口組件，其中該熱膨脹材料為選自：可膨脹石墨、黏土、雲母、或珠光體，其包括下列之一或多種：硫酸、硝酸、磷酸、如醋酸或酚酸之有機酸及其等之鹽、插入於相鄰結晶層之間的氯及溴氣；蛭石；或其等之混合物。
  4. 如申請專利範圍第1項之注口組件，其中該密封構件係一塗層，其未膨脹之厚度為包含在0.1與3.0mm之間；該塗層可選擇性的被一最後之密封層蓋住。
  5. 如申請專利範圍第4項之注口組件，其中該密封構件被塗佈在該第1及/或第2連結表面(1a、11a)之一實質部分上，或者該密封構件被塗佈到該第1及/或第2連結表面(1a、11a)上之溝槽內，分別圍住該第1及/或第2通孔，其中該溝槽為至少0.5mm深。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之注口組件，其中該密封構件係為墊片之形式，套疊在該第1及/或第2連結表面(1a、11a)上之溝槽中，分別圍住該第1及/或第2通孔。
  7. 如申請專利範圍第6項之注口組件，其中該熱膨脹材料係以被包封於微形外殼內的薄片構形，該微形外殼在暴露於一給定溫度或機械應力時可流動、揮發、或分解，該機械應力包括將一個連結表面在另一個連結表面上滑動時的剪切力。
  8. 如申請專利範圍第7項之注口組件，其中該等微形外殼包含至少一個由水玻璃、膠狀二氧化矽或磷酸鋁所構成的保護性殼層，其以0.5-80wt.%之範圍的量存在，該保護性外殼層可選擇性的：塗佈到一底漆上；及/或被一最後頂層所覆蓋。
  9. 一種用於金屬鑄造設備的注口組件之耐火元件(1)，該耐火元件包含：第1通孔(3)，其係在適於與第2耐火元件(11)之第2連結表面(11a)連結成滑動平移關係的第1且大致為平面的連結表面(1a)上，其中：該耐火元件(1)之該第1連結表面(1a)設置含有一熱膨脹材料的密封構件(2)，其特徵為：該熱膨脹材料包含一層化材料，其係藉著在諸層間插入其他材料而修改者，以在曝露於熱時造成膨脹；而該密封構件包括：5-95wt.%之熱膨脹材料，包括可膨脹石墨及/或蛭石；5-95wt.%之結合劑，如水玻璃；0-80wt.%之潤滑劑，如(不可膨脹)石墨；0-20wt.%之抗氧化劑，如鋁、矽、或鉬，其中，wt.%係按固體乾重相對於該密封構件組合物之總乾重測量的；且該第1平面之連結表面(1a)係下列之其中一個：澆注口(32)之連結表面(1a)，該澆注口適於被安裝在管交換裝置(30)或從該管交換裝置卸除，該連結表面係與埋入於漏斗之底板內的內注口之對應接觸表面為滑動關係；一內注口(31)之連結表面(1a)，該內注口被安裝在冶煉槽之底板且被固定到該管交換裝置(30)，使得該連結表面(1a)在將一澆注口導入該管交換裝置時進入與該澆注口為滑動關係；一滑動柵裝置板(25)之連結表面(1a)，使得該連結表面(1a)與該滑動柵之第2板的連結表面進入滑動關係。
  10. 如申請專利範圍第9項之耐火元件，其中該熱膨脹材料係選自：可膨脹石墨、黏土、雲母、或珠光體，其包括下列之一或多種：硫酸、硝酸、磷酸、如醋酸或酚酸之有機酸及其等之鹽、插入於相鄰結晶層之間的氯及溴氣；蛭石；或其等之混合物。
  11. 如申請專利範圍第9項之耐火元件，其中該密封構件(2)具有：一初始膨脹溫度Ti，至少為130℃，及/或一最大相對膨脹Vmax/V20，係在包括Ti與1400℃之間的最大膨脹時之溫度Tmax下測得的體積，相對於其在20℃下測得的體積，此最大相對膨脹至少為10。
  12. 一種用於生產如申請專利範圍第9至11項中任一項之之耐火元件(1)的方法，包括下列步驟：設置一耐火元件，該耐火元件包括被開設在第1連結表面(1a)的第1通孔(3)，該第1連結表面(1a)與一第2耐火元件(11)之第2連結表面(11a)連結成滑動平移關係；塗佈一密封構件(2)到該第1連結表面(1a)，以便圍住該通孔；其特徵為：該密封構件(2)包括一熱膨脹材料，該熱膨脹材料包含一層化材料，其係藉著在諸層間插入其他材料而修改者，以在曝露於熱時造成膨脹；其中該密封構件包括：5-95wt.%之熱膨脹材料，包括可膨脹石墨及/或蛭石；5-95wt.%之結合劑，如水玻璃；0-80wt.%之潤滑劑，如(不可膨脹)石墨；0-20wt.%之抗氧化劑，如鋁、矽、或鉬，其中，wt.%係按固體乾重相對於該密封構件組合物之總乾重測量的。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該密封構件被塗佈到該第1連結表面，以作為：一塗層，係藉塗刷、噴灑、刮水刷或輥之使用、如網印或凹版印刷而蓋住該第1連結表面之全體或僅一部分；一塗層，藉射出、刮刷、鑄造而填充一設置在該第1連結表面(1a)上之溝槽且圍住該通孔(3)之開口；或一預成型之墊片，配合到設置在該第1連結表面(1a)上之溝槽且圍住該通孔(3)之開口。
  14. 一種用於連結自滑動柵及管交換裝置選出的金屬鑄造設備之注口組件(20、30)之兩個耐火元件(1、11)的方法，該方法包括下列步驟：執行如申請專利範圍第12或13項之方法，以提供一耐火元件(1)，該耐火元件包含一密封構件(2)圍住在該第1連結表面(1a)上之一通孔，其中該熱膨脹材料包含一層化材料，其係藉著在諸層間插入其他材料而修改者，以在曝露於熱時造成膨脹；其中該密封構件包括：5-95wt.%之熱膨脹材料，包括可膨脹石墨及/或蛭石；5-95wt.%之結合劑，如水玻璃；0-80wt.%之潤滑劑，如(不可膨脹)石墨；0-20wt.%之抗氧化劑，如鋁、矽、或鉬，其中，wt.%係按固體乾重相對於該密封構件組合物之總乾重測量的；藉著將該第1連結表面(1a)滑動平移到含有該注口組件之第2耐火元件(11)的第2通孔之第2連結表面(11a)上方而連結，使得該密封構件(2)接觸該第1及第2連結表面(1a、11a)兩者且使得該第1及第2通孔可形成對準或退出此等之對準，當在對準時，形成從熔融金屬入口(13a)到熔融金屬出口(3b)的一連續通孔；加熱已依此連結的該第1及第2耐火元件到一溫度，至少充分地使該密封構件之熱膨脹材料進行膨脹。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該第1耐火元件(1)及密封構件(2)在連結到該第2耐火元件(11)之前，在必須避免熱膨脹材料達到其最大之膨脹的條件下，在一預熱溫度被預熱，此係藉下列之一來達成：藉維持預熱溫度在熱膨脹材料之最大膨脹的溫度Tmax之下，且較佳為在初始膨脹溫度Ti以下，或者藉著將該熱膨脹材料封入外殼內，此外殼係在(i)將該第1耐火元件滑動到鑄造位置進入注口組件及/或(ii)在鑄造熔融金屬時會產生化學及/或機械及/或熱破壞。
  16. 一種密封成分，用於將金屬鑄造設備中之注口組件的耐火元件之間的接觸介面密封，該密封成分包括：5-95wt.%之包括可膨脹石墨的熱膨脹材料，該熱膨脹材料包含一層化材料，其係藉著在諸層間插入其他材料而修改者，以在曝露於熱時造成膨脹；5-95wt.%之水玻璃以作為結合劑；0至80wt.%之潤滑劑，如(不可膨脹)石墨；0至20wt.%之抗氧化劑，如鋁。
  17. 一種密封構件(2)之使用，用於將金屬鑄造設備中之注口組件的第1及第2耐火元件的第1及第2連結表面之間的接觸介面密封，其特徵為：該第1及第2連結表面係為滑動平移的關係，且該密封構件包含熱膨脹材料，其中該熱膨脹材料包含一層化材料，其係藉著在諸層間插入其他材料而修改者，以在曝露於熱時造成膨脹；其中該密封構件包括：5-95wt.%之熱膨脹材料，包括可膨脹石墨及/或蛭石；5-95wt.%之結合劑，如水玻璃；0-80wt.%之潤滑劑，如(不可膨脹)石墨；0-20wt.%之抗氧化劑，如鋁、矽、或鉬，其中，wt.%係按固體乾重相對於該密封構件組合物之總乾重測量的。
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