專利名稱：用于將氣體注入熔融金屬的耐火材料塞子或磚的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將氣體注入熔融金屬的耐火材料塞子(plug)或磚，本發(fā)明還涉及用于將氣體注入熔融金屬的耐火材料塞子或磚的制造方法。
氣體通常注入容器例如鋼水包、坩堝或澆口盤中的熔融金屬內(nèi)，用于多種目的。例如，氣體可以引入容器的底部，以便清除固化產(chǎn)品的相對冷卻底部區(qū)域，例如將它們從底部澆鑄出口附近除去，在該底部澆鑄出口附近，容器有該出口。例如在煉鋼時，利用在澆口盤中緩慢注入的氣泡細(xì)簾將有助于雜質(zhì)去除；雜質(zhì)吸引到細(xì)氣泡上，并穿過熔融物上升到表面，在該表面處，它們通常由澆口盤蓋粉(powder)或流(flux)捕獲。氣體也可以為了清洗而引入，或者為了使熔融物在熱或組分上均勻，或者用于幫助使合金添加劑分散到整個熔融物中。
通常情況下使用惰性氣體，但是當(dāng)熔融物組分或成分需要改性時，也可以采用活性氣體，例如還原氣體或氧化氣體。例如，通常將氣體例如氮?dú)?、氯氣、氟利昂、六氟化硫、氬氣等注入熔融金屬例如熔融的鋁或鋁合金中，以便除去不希望的成分，例如氫氣、非金屬雜質(zhì)和堿金屬。添加到熔融金屬中的活性氣體與不希望的雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，以便將它們轉(zhuǎn)化成例如沉淀物、渣滓或不可溶氣體化合物的形式，它們能夠很容易與其余的熔融物分離。這些氣體(或其它氣體)例如也可以用于鋼、銅、鐵、鎂或它們的合金。
為了高效進(jìn)行氣體注入操作，希望將氣體以大量極小氣泡的形式引入熔融金屬中，優(yōu)選是從容器底部引入。當(dāng)氣泡尺寸減小時，每單位容積的氣泡數(shù)增加。每單位容積的氣泡數(shù)目以及它們的表面積的增加將使注入的氣體更有效地用于所希望的操作。
前述氣體注入包括在容器的耐火材料襯里中安裝固體多孔耐火材料塞子或磚，通常在地面上，但是也可以在墻壁中。在使用時，塞子或磚引入氣泡形式的氣流。
例如，用于將氣體引入熔融金屬中的已知技術(shù)包括將多孔陶瓷體襯到裝熔融金屬的容器的一部分(優(yōu)選是容器的底板)上。氣體在遠(yuǎn)離多孔體的金屬接觸表面的位置處引入該多孔體。在氣體通過該多孔體的過程中，氣體沿多個細(xì)小曲折的通路流動，因此，大量的氣泡將流入熔融金屬內(nèi)。
通常，作為集管將氣體引入多孔體內(nèi)的金屬殼體支承該多孔陶瓷體。通常，殼體由軟鋼(用于惰性氣體或稍微有活性的氣體，例如氬氣或氮?dú)?或者鉻鎳鐵合金(用于具有較高活性的氯氣或氟利昂)制成。裝配好的多孔體/殼體通過耐火材料而包圍和支承在除上表面外的所有側(cè)面上，該耐火材料例如低水泥氧化鋁澆鑄塊或磚。這里使用的澆鑄塊既可以環(huán)繞多孔體就地澆鑄，也可以在安裝熱金屬容器襯里的過程中由固定就位的預(yù)澆鑄部件形成。該襯里材料將“抵靠”多孔體結(jié)構(gòu)。
前述結(jié)構(gòu)的問題是難以在殼體和多孔體之間以及在殼體和支承澆鑄塊/磚之間保持有效氣體密封。產(chǎn)生這樣的困難部分是因?yàn)榻饘贇んw和耐火材料的熱膨脹系數(shù)有相當(dāng)大的差異；還有，當(dāng)使用的氣體為氯氣時，金屬殼體將受到侵蝕。當(dāng)發(fā)生裂紋(這里，“裂紋”是指在氣體分散裝置中能夠產(chǎn)生不希望的氣體泄漏的任何缺陷)，氣體將通過該裂紋泄漏，然后通常將通過下一個磚和耐火材料支承件而排向大氣中。氣體可以通過50cm或更厚的耐火材料。不希望出現(xiàn)的問題是，由于氣體泄漏的影響，流過設(shè)計(jì)氣泡表面的氣流將嚴(yán)重減少，氣泡產(chǎn)生塊的效果減小。在某些情況下，通過細(xì)小氣泡而流動的氣流將停止，取而代之的是氣流通過較大的無效氣泡而以不受控制的方向流動。當(dāng)使用氬氣時，必須考慮到成本相對較高。當(dāng)使用氯氣時問題尤其嚴(yán)重，因?yàn)橛泻Φ穆葰鈱⑨尫诺酱髿庵?。不管使用哪種類型的純凈氣體，重要的是防止裂紋，從而防止氣體泄漏。
因此希望有一種用于將氣體注入熔融金屬內(nèi)的方法，該方法能達(dá)到將大量極小的氣泡分散到熔融金屬內(nèi)的目的，同時避免在氣體分散裝置中產(chǎn)生能導(dǎo)致氣體泄漏的裂紋。
還希望該裝置能夠很容易制造，產(chǎn)品合理，且尺寸比現(xiàn)有裝置更小。而且，希望該氣體注入裝置能夠在不改變現(xiàn)有裝置或只對現(xiàn)有裝置進(jìn)行很小變化的情況下用于該現(xiàn)有裝置，例如澆口盤、鋼水包、熔融容器等。
而且，為了將該裝置插入現(xiàn)有的熔融金屬容器耐火材料襯里中，希望該氣體注入裝置能夠與周圍的耐火材料相容，以便防止由于熱膨脹不匹配而引起的不利化學(xué)反應(yīng)。
而且，還希望提供這樣的裝置，該裝置能夠通過只在制造過程中進(jìn)行很小調(diào)節(jié)就能夠在很寬范圍的氣泡情況(氣泡大小、體積、壓力等)下進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使該裝置能夠適應(yīng)顧客的特定要求。
因此，本發(fā)明涉及一種固體多孔耐火材料塞子或磚，用于通過熔融金屬接觸表面將氣體注入熔融金屬內(nèi)，該耐火材料塞子或磚包括i)多孔耐火材料體，該多孔耐火材料體除了熔融金屬接觸表面外，基本由無孔體包圍；以及ii)氣體引導(dǎo)裝置，用于將氣體從氣源傳送給多孔體。
在本說明書的范圍內(nèi)，用于注入氣體的塞子或磚可以是塞子、磚、塊狀物、擋板(dam)、瓦片、棒等。如上所述，本發(fā)明的塞子或磚可以用于將任意氣體(活性或惰性)注入任意熔融金屬或它們的合金。該塞子或磚有至少一個熔融金屬接觸表面，氣體通過該熔融金屬接觸表面而注入。該塞子或磚包括多孔耐火材料體，該多孔耐火材料體基本由無孔體包圍(例如嵌入或埋入)，當(dāng)然除了在熔融金屬接觸表面。它可以包括熔融金屬容器的襯里，或者形成該熔融金屬容器襯里的一部分。
多孔體可以由任意多孔耐火材料制成。實(shí)際上，所用材料的性質(zhì)并不重要，只要所述材料有所需要的多孔性。通?？紤]使多孔材料的表面孔隙度高于20％。合適的材料通常包括氧化鋁、氧化鋁尖晶石、氧化鎂或氧化鎂尖晶石，或者它們的組合。
塞子或磚也包括氣體引導(dǎo)裝置，用于將氣體從氣源傳送給多孔體。氣體引導(dǎo)裝置通常包括穿過無孔體的側(cè)壁延伸的導(dǎo)管。該導(dǎo)管可以通過普通的耐火密封材料(灰漿或水泥)而固定就位，或者它可以壓入無孔體內(nèi)。
可以使用普通的氣體引導(dǎo)裝置。不過，因?yàn)樾枰貏e監(jiān)測連接的密封性，因此，特別優(yōu)選是使用專門裝置，例如在WO-A1-01/83138中所述的裝置。
還優(yōu)選是，氣體引導(dǎo)裝置包括充氣室，氣體通過該充氣室與面積基本與熔融金屬接觸表面至少基本相等的多孔體表面接觸，這樣，優(yōu)選是氣體均勻地分布到多孔體中，因此，氣泡將基本通過整個熔融金屬接觸表面進(jìn)入熔融金屬中。
將氣體注入熔融金屬中的該類型塞子或磚例如由US專利5054749、5423521或5219514可知。不過，它們都不能滿足上述要求。
本發(fā)明的塞子或磚的特征在于無孔體由耐火材料制成，該多孔體和無孔體共同進(jìn)行壓制。所有的上述要求都能通過該塞子或磚來滿足。
再有，無孔材料的性質(zhì)并不重要，只要它是耐火材料和具有所需的孔隙度。通常，認(rèn)為表面孔隙度低于20％的材料為無孔的。
優(yōu)選是，該無孔體和多孔體由具有類似熱膨脹系數(shù)的耐火材料構(gòu)成。這用于防止在進(jìn)行熱循環(huán)時形成裂紋。
通過采用本發(fā)明，內(nèi)部多孔體的顆粒性和透過性可以進(jìn)行認(rèn)真和一致的控制，以便提供均勻的細(xì)孔結(jié)構(gòu)，這樣，細(xì)小且均勻分布的氣泡從多孔體的熔融金屬接觸表面流過。該透過性可以通過改變組分的顆粒性而很容易地調(diào)節(jié)，本發(fā)明的塞子或磚能夠制成為適合各個顧客的專門要求。
本方法的還一優(yōu)點(diǎn)是可以采用有很高的氧化鎂含量的耐火材料，例如氧化鎂尖晶石。這樣的組分與通常使用的堿性(氧化鎂)金屬板澆口盤襯里的組分相容。因此，它們的化學(xué)和熱性質(zhì)都非常相似。因此，優(yōu)選是，多孔耐火材料體和無孔耐火材料體有很高的氧化鎂含量，超過50％的組分重量，優(yōu)選是超過80％，更優(yōu)選是超過90％。
因此，有不同顆粒性的類似材料可以用于多孔體和無孔體。因此，可以用具有不同顆粒性的高氧化鎂含量的材料來制造本發(fā)明的塞子或磚。
通過使兩種耐火材料共同壓制，無孔體的低透過性質(zhì)可以在不需要其它限制氣體泄漏技術(shù)的情況下防止氣體泄漏。共同壓制的另一優(yōu)點(diǎn)是用于注入氣體的塞子或磚的總體尺寸較小，并可以獲得所需的氣泡。這有助于在運(yùn)輸和安裝在容器內(nèi)(尤其是安裝在襯里內(nèi))的過程中對這些塞子或磚進(jìn)行處理。
共同壓制的概念并不局限于長方形、正方形、圓形或橢圓形形狀，而是可以用于制造適于進(jìn)行共同壓制的任何耐火材料截面。例如，可以考慮環(huán)形共同壓制部件，它將布置成環(huán)繞澆口盤的出口，從而形成稍微升高的環(huán)繞氣泡流，熱液態(tài)金屬在進(jìn)入連續(xù)澆鑄模具之前必須經(jīng)過該氣泡流。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及一種用于制造將氣體注入熔融金屬中的塞子或磚的方法。根據(jù)本發(fā)明，該方法包括以下步驟1)將構(gòu)成多孔體和無孔體的適量耐火材料引入模具中，同時對這些多孔體和無孔體進(jìn)行合適限制；2)同時對兩種耐火材料進(jìn)行共同壓制；3)提供氣體引導(dǎo)裝置；4)對共同壓制的材料進(jìn)行熱處理。
優(yōu)選是，在引入耐火材料之前將例如由薄(但硬)的塑料或金屬箔制成的限制器置于模具中。該限制器可以形成為柱形(具有圓形或橢圓形的底)或棱柱形，沒有上表面和下表面。將形成多孔體的耐火材料再引入由限制器形成的中心部分中，而將形成無孔體的耐火材料引入到限制器和模具壁之間。然后再仔細(xì)地除去該限制器，并再將一些形成無孔體的材料引入模具中，以便形成與熔融金屬接觸表面相對的表面。
提供氣體引導(dǎo)裝置的步驟可以在共同壓制步驟之前或之后進(jìn)行，或者在共同壓制步驟之前和之后進(jìn)行。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，充氣室通過將一條可消耗的材料引入模具中，并布置在多孔體形成材料的底部和無孔體形成材料的相鄰表面之間的連接處而形成。
或者或另外，在對材料進(jìn)行共同壓制之后或之前，可以鉆出穿過無孔體的孔或?qū)Ч?，以便使該多孔體(通過或不通過充氣室)與外部氣源相連。
共同壓制步驟可以根據(jù)任意已知的壓制方法來進(jìn)行，例如在液壓機(jī)中進(jìn)行。
熱處理步驟應(yīng)當(dāng)在足以使多孔體和無孔體之間發(fā)生陶瓷粘接的溫度下進(jìn)行，這樣，能提高塞子或磚的整體性以及它的氣密性。布置成產(chǎn)生充氣室的可消耗材料(當(dāng)使用時)優(yōu)選是在熱處理過程中除去。該可消耗材料能夠在使用溫度下燃燒(硬紙板、紙張)或熔化(蠟、合金)。通常，熱處理步驟包括在800和1800℃之間的溫度下烘烤該共同壓制材料2至12小時。
下面將參考附圖更好地介紹本發(fā)明，這些附圖只是用于說明本發(fā)明，而不是限制它的范圍。

圖1和2表示了本發(fā)明實(shí)施例的剖視圖。
兩個附圖都表示了用于通過熔融金屬接觸表面(11)將氣體注入熔融金屬內(nèi)的塞子或磚(1)，它包括多孔耐火材料體(2)，該多孔耐火材料體(2)除了熔融金屬接觸表面(11)之外基本被無孔體(9)包圍。圖1和2還表示了氣體引導(dǎo)裝置，該氣體引導(dǎo)裝置包括穿過塞子或磚的壁(6)延伸并與充氣室(3)相連的金屬或耐火材料導(dǎo)管(4)。該導(dǎo)管(4)通常通過普通密封水泥或灰漿(5)而固定就位。
優(yōu)選是，在壓制步驟過程中，朝著熔融金屬接觸表面產(chǎn)生逐漸變細(xì)的部分(7)，如圖1所示。在壓制作用過程中，通過使多孔體在壓制模具的垂直側(cè)面處變形到無孔介質(zhì)內(nèi)而產(chǎn)生逐漸變細(xì)效果。該逐漸變細(xì)的形狀還通過形成鍵而防止多孔體(2)產(chǎn)生較大剝落。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所用材料如下(重量％)
顆粒性*＞1mm 30％**＞1mm 0％＜45μm 30％ ＜45μm 5％在引入模具中之后，材料在一定速度下進(jìn)行機(jī)械壓制，以便盡最大可能保證共同壓制材料的壓縮和整體性。熱處理步驟這樣進(jìn)行通過以一定速度緩慢將該共同壓制材料加熱直到1600℃，以避免在壓制體內(nèi)產(chǎn)生熱致破裂/裂紋，并使塞子或磚保持該溫度4個小時，然后使它逐漸冷卻。
測量到以下性質(zhì)
在使用時，該塞子或磚能夠可靠和持續(xù)地注入細(xì)小氣泡。
權(quán)利要求
1.一種固體多孔耐火材料塞子或磚(1)，用于通過熔融金屬接觸表面(11)將氣體注入熔融金屬內(nèi)，它包括i)多孔耐火材料體(2)，該多孔耐火材料體除了熔融金屬接觸表面(11)外，基本由基本無孔體包圍；以及ii)氣體引導(dǎo)裝置(3、5)，用于將氣體從氣源傳送給多孔體(2)，其特征在于該無孔體(11)由耐火材料制成，且該多孔體(2)和無孔體(11)進(jìn)行共同壓制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塞子或磚，其特征在于氣體引導(dǎo)裝置(3、5)包括充氣室(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的塞子或磚，其特征在于該多孔體和無孔體由具有類似熱膨脹系數(shù)的耐火材料構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一個所述的塞子或磚，其特征在于多孔體和無孔體超過50％重量由氧化鎂、氧化鎂尖晶石、氧化鋁或氧化鋁尖晶石構(gòu)成，優(yōu)選是超過80％重量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一個所述的塞子或磚，其特征在于無孔體超過50％重量由氧化鎂、氧化鎂尖晶石、氧化鋁或氧化鋁尖晶石構(gòu)成，優(yōu)選是超過80％重量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一個所述的塞子或磚，其特征在于該多孔體(2)有朝著它的熔融金屬接觸表面逐漸變細(xì)的部分(7)。
7.一種用于制造固體多孔耐火材料塞子或磚(1)的方法，該耐火材料塞子或磚(1)用于通過熔融金屬接觸表面將氣體注入熔融金屬內(nèi)，該方法包括以下步驟1)將構(gòu)成多孔體和無孔體的適量耐火材料引入模具中，同時對這些多孔體和無孔體進(jìn)行合適限制；2)同時對兩種耐火材料進(jìn)行共同壓制；3)提供氣體引導(dǎo)裝置；4)對共同壓制的材料進(jìn)行熱處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中該氣體引導(dǎo)裝置包括充氣室。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于提供氣體引導(dǎo)裝置的步驟(3)包括將一條可消耗材料引入模具內(nèi)，并置于多孔體和無孔體之間的連接處。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于該可消耗材料包括蠟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種塞子或磚(1)，用于通過熔融金屬接觸表面(11)將氣體注入熔融金屬內(nèi)，該塞子或磚包括i)多孔耐火材料體(2)，該多孔耐火材料體除了熔融金屬接觸表面(11)外，基本由無孔體(9)包圍；以及ii)氣體引導(dǎo)裝置(3、5)，用于將氣體從氣源傳送給多孔體(2)。該塞子或磚的特征在于該無孔體(11)由耐火材料制成，且該多孔體(2)和無孔體(11)進(jìn)行共同壓制。該塞子或磚可以用于高效可靠地將小氣泡注入熔融金屬池中。
文檔編號B22D11/10GK1496292SQ02806090
公開日2004年5月12日 申請日期2002年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月19日
發(fā)明者克雷格·威洛比, 卡萬·米爾沃德, 克雷格 威洛比, 米爾沃德 申請人:維蘇維尤斯·克魯斯布公司, 維蘇維尤斯 克魯斯布公司