專利名稱：透氣上水口的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在熔融鋼水的鑄造中使用的耐火水口，具體指使用惰性氣體來減少在鋼/水口界面處氧化鋁沉積物的有害累積的水口。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，耐火制品是用于控制熔融金屬，例如鋼水的流動(dòng)的。這種制品包括上水口、滑板、塞棒以及浸入式水口等，它們通常是配合使用，在澆鋼過程中用于鋼水控流。由于鋁脫氧鎮(zhèn)靜鋼具有人們所期望的冶金性能，在二十世紀(jì)七十年代，該類鋼種成為鋼鐵制造工業(yè)的一種最常見的產(chǎn)品。然而不幸的是，氧化鋁和其它耐火材料組分會(huì)在耐火制品和熔融鋼水的界面處沉積并累積。這一界面包括水口內(nèi)孔和上表面。這種沉積最終可能導(dǎo)致水口的完全堵塞或者不能完全關(guān)閉熔融鋼流。
惰性氣體已經(jīng)被用來減少在耐火表面上的有害沉積物。復(fù)合水口通常包括多孔的、導(dǎo)氣的耐火元件。在水口之內(nèi)或之外的氣體傳送系統(tǒng)，例如通道、溝槽或裝置，可以將惰性氣體引導(dǎo)到多孔元件。這種水口的實(shí)例是美國(guó)專利No.4,360,190、5,100,035、5,137,189和5,723,055。在操作中，經(jīng)增壓的惰性氣體，例如氬氣的經(jīng)過氣體傳送系統(tǒng)，并濾過多孔的耐火元件。多孔的元件可以限定水口內(nèi)孔表面的一部分，或者可以是靠近內(nèi)孔表面，這樣惰性氣體可以跑到水口內(nèi)孔中。此外，多孔元件可以靠近或者位于水口的上表面。經(jīng)過孔的側(cè)面或水口的頂面的小氬氣所形成的氣泡流可以減少氧化鋁在這些區(qū)域中的有害沉積。
研究表明，氧與水口組分和熔融鋼水發(fā)生反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氧化鋁沉積物?，F(xiàn)有技術(shù)是通過吹入加壓的惰性氣體來減小可能引起堵塞的氧氣的分壓。換言之，現(xiàn)有技術(shù)是將惰性氣體吹入到水口中，隨后再進(jìn)入到熔融鋼流中，使得氧濃度下降，從而相應(yīng)減少有害沉積物。該解決方法不是完全令人滿意的，因?yàn)樵阡撍羞€是存在氧，其原因是由于諸如惰性系統(tǒng)的泄漏、惰性氣體的污染以及系統(tǒng)中先前就存在有氧。因而堵塞還是會(huì)發(fā)生。
需要有耐火制品來使鋼水與氧屏蔽?，F(xiàn)有技術(shù)中其制品仍舊允許氧通過制品擴(kuò)散，并進(jìn)入到鋼水中。金屬外殼也沒有被證明是完全可接受的，因?yàn)檠跞耘f會(huì)沿著耐火制品和鋼殼之間的界面滲入。此外，“制殼”大大增加了生產(chǎn)成本。理想情況是，水口在熔融金屬周圍形成無法滲透的屏障的同時(shí)，能將惰性氣體中的氧除去或凈化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明描述了在鋼水的鑄造中使用的耐火制品，該制品減少了暴露于鋼流表面上的夾雜物尤其是氧化鋁的沉積。該表面可以包括水口的內(nèi)孔或上表面。
廣義地講，該制品包括兩部分，其一是包括基本上不透氣的耐火材料組合物的內(nèi)襯，其二是圍繞該內(nèi)襯的透氣耐火組合物。不透氣組合物防止氧擴(kuò)散到熔融金屬中。透氣組合物用于惰性氣體的擴(kuò)散，從而將不透氣組合物和熔融金屬與氧屏蔽。
不透氣組合物最好為樹脂結(jié)合的組合物，包括耐火材料本體、結(jié)合劑和抗氧化劑(oxygen getter)?？寡趸瘎┌梢猿ミM(jìn)入熔融金屬的氣體中氧的化合物，并包括反應(yīng)性金屬。
透氣組合物可以包括那些碳結(jié)合的、氧化物結(jié)合的、樹脂結(jié)合的或者澆鑄成型的耐火材料。重要的是，透氣組合物允許惰性氣體的擴(kuò)散，使得惰性氣體能夠基本上防止氧進(jìn)入不透氣組合物和熔融金屬。透氣組合物的氣孔率可以方便地控制惰性氣體的擴(kuò)散。另外通過與氣孔率相結(jié)合，氣體傳送系統(tǒng)，例如通道、溝槽或裝置，也可以便于惰性氣體通過透氣材料的傳送和擴(kuò)散。
本發(fā)明的方法包括用基本上不透氣組合物內(nèi)襯于耐火制品的內(nèi)孔，用透氣組合物圍繞該不透氣組合物的至少一部分，使透氣組合物充滿惰性氣體。
其中一個(gè)實(shí)施方案是，加壓的惰性氣體將熔融金屬與氧屏蔽。其另一個(gè)實(shí)施方案是，在冶金容器中向熔融金屬吹入惰性氣體。
附圖的簡(jiǎn)要描述

圖1示出了本發(fā)明耐火水口的橫截面。
圖2示出了另一個(gè)具體應(yīng)用，是允許在冶金容器中向熔融金屬吹氣。
本發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明涉及用于控制熔融金屬尤其是鋼的流動(dòng)的耐火制品。本發(fā)明可以包括用于引導(dǎo)熔融金屬流的任何耐火制品，包括上水口、浸入式水口和滑板。為了方便，上水口應(yīng)該指任何被用來引導(dǎo)熔融金屬流的耐火制品。
圖1示出了本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)例。制品1包括水口本體2，該水口本體具有確定了內(nèi)孔4的內(nèi)表面3、圍繞著內(nèi)孔4的入口6的上表面5、與入口6相連導(dǎo)流的出口7以及外表面8。內(nèi)孔4的作用是將鋼水從入口6傳送到出口7。內(nèi)表面3包括含有基本上不透氣組合物的內(nèi)襯9。內(nèi)襯9限定了內(nèi)孔4的至少一部分，一般是內(nèi)孔4的全部。水口2的外部部分10圍繞襯里9，并且包括透氣組合物。水口2適于接收惰性氣體流。在鑄造過程中，導(dǎo)管11可以將氣體傳遞到水口2，并且結(jié)合水口2內(nèi)或圍繞其的各種通道、溝槽或裝置12，氣體透過外圍的透氣組合物10有效地將內(nèi)孔4中的熔融金屬與大氣屏蔽開來。
不透氣組合物必須基本上是不透氣的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道使用一些化學(xué)和機(jī)械途徑來生產(chǎn)不可透過材料的幾種方法。例如，熔劑、釉料、顆粒尺寸分布、結(jié)合體系、耐火材料的組成以及過程條件可以單獨(dú)和共同影響滲透性。熔劑降低玻璃化溫度并便于玻璃化。釉料在耐火物的表面上產(chǎn)生不能滲透的涂層。在耐火聚集體中的顆粒尺寸分布可以很大程度地影響最終產(chǎn)品的孔隙率，并最終影響其中的滲透性。過程條件，例如焙燒溫度和壓制，對(duì)滲透性有很深的影響。耐火和粘結(jié)體系的化學(xué)組成也會(huì)對(duì)滲透性有很大的影響。
不透氣組合物可以由任何類型的材料制成，包括樹脂結(jié)合的、碳結(jié)合的、氧化物結(jié)合的以及澆注成型耐火材料。碳結(jié)合的耐火材料包括已經(jīng)在還原條件下焙燒的耐火聚集體、石墨和結(jié)合劑的混合物。焙燒意味著在能夠形成金屬碳化物尤其是碳化鋁的溫度下加熱組合物。這種溫度一般高于800℃，但是取決于焙燒時(shí)間溫度可以更高些。氧化物結(jié)合的組合物在高溫下燒結(jié)，通常顯著高于碳結(jié)合所需的溫度。樹脂結(jié)合的耐火材料在低于約800℃的溫度、經(jīng)常是低于約500℃的溫度下固化。與前面的材料不同，澆注成型耐火材料一般不需要壓制，并且可以在接近環(huán)境的溫度和壓力下成型。澆注成型耐火材料包括在工業(yè)中通常使用的耐火水泥狀產(chǎn)品。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，不透氣組合物包括樹脂結(jié)合的材料。這種材料不需要特殊處理過程或化學(xué)物質(zhì)，并且類似于用于鋼鐵工業(yè)的耐火材料的制造。該材料的優(yōu)點(diǎn)是，樹脂結(jié)合組合物在低溫下固化，可以形成防堵塞材料，并且可以含有抗氧化劑，該抗氧化劑經(jīng)受不住碳結(jié)合或氧化物結(jié)合的材料所需的高溫焙燒。
合適的樹脂結(jié)合組合物包括至少一種耐火材料聚集體、可固化的樹脂結(jié)合劑以及反應(yīng)性金屬。耐火聚集體包括適合鋼水鑄造的任何耐火材料，包括但不僅限于氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋯、氧化硅以及它們的化合物和混合物。優(yōu)選地，那些可能在高溫下產(chǎn)生揮發(fā)性氧化物例如氧化硅和氧化鎂的化合物應(yīng)該避免使用，因?yàn)閾]發(fā)性氧化物是向熔融金屬中傳輸氧的一個(gè)途徑，并且氧的進(jìn)入與氧化鋁的沉積是相互關(guān)聯(lián)的。
應(yīng)該存在一定量的可固化樹脂結(jié)合劑，以實(shí)現(xiàn)在壓制和固化之后的足夠生坯強(qiáng)度。固化通常在低于約300℃下發(fā)生。一種可以被加熱到低于約800℃、最好是在低于約500℃的溫度下處理。結(jié)合劑的量并不是固定的，取決于例如所使用的結(jié)合劑類型以及期望的生坯強(qiáng)度。結(jié)合劑的量一般在1～10wt％就足夠了。一般來講，結(jié)合劑是有機(jī)的，并且通常使用的結(jié)合劑是碳化物樹脂，例如由瀝青或樹脂得到的含碳結(jié)合劑。結(jié)合劑可以包括其它類型的有機(jī)結(jié)合劑，例如酚的化合物、淀粉或木素亞磺酸鹽。
不透氣結(jié)合劑還可以包括抗氧化劑?？寡趸瘎┡c擴(kuò)散進(jìn)入的或者在不透氣組合物形成的氧反應(yīng)，從而使得在熔融鋼水中沒有氧。常用的抗氧化劑包括例如硼化合物、碳化物、氮化物，以及例如鋁、鎂、硅以及它們的混合物和合金的反應(yīng)性金屬粉末。硼化合物的優(yōu)點(diǎn)是可以減小氣孔率和滲透性，從而形成針對(duì)氧擴(kuò)散的物理屏障。所需的抗氧化劑的量取決于耐火制品的具體用途。目前認(rèn)為0.25wt％的量是顯示抗氧化性有明顯改進(jìn)所需的最小值。另一方面，抗氧化劑的量高于15wt％的成本很高，一般是不必要的，甚至例如在使用反應(yīng)性金屬粉末時(shí)可能是危險(xiǎn)的。此外，抗氧化劑會(huì)降低燒成制品的抗熱震性，并且降低對(duì)鋼水的抗腐蝕性。
優(yōu)選的抗氧化劑包括反應(yīng)性金屬，包括鋁、鎂、硅、鈦以及它們的混合物和合金。反應(yīng)性金屬以粉末、片狀等形式方便地加入，反應(yīng)性金屬應(yīng)該有足夠的量，這樣在熔融鋼水的鑄造期間反應(yīng)性金屬就可以除去那些可能擴(kuò)散到耐火制品中或者從其中散發(fā)出來的任何氧。有多種因素影響到用于除去氧的反應(yīng)性金屬的量。例如，含有可以釋放氧的化合物的夾雜物例如二氧化硅，就要求更高水平的反應(yīng)性金屬來除去所釋放的氧。對(duì)反應(yīng)性金屬量的限制要考慮到成本和危險(xiǎn)性。反應(yīng)性金屬一般比耐火聚集體價(jià)格高，另外特別是對(duì)于反應(yīng)金屬粉末來說，在處理過程中可能會(huì)發(fā)生爆炸。一般來講反應(yīng)性金屬的加入量為0.5～10wt％。
不透氣結(jié)合劑可以包括樹脂結(jié)合結(jié)合劑，該樹脂結(jié)合的結(jié)合劑包括50～90wt％的耐火材料聚集體、1～10wt％的結(jié)合劑以及0.5～15wt％的反應(yīng)性金屬。更好的選擇是，樹脂結(jié)合的結(jié)合劑包括65～80wt％的熔融氧化鋁、2～30wt％的燒結(jié)氧化鋁、1～10wt％的結(jié)合劑、0.5～10wt％的金屬鋁、最高15wt％的氧化鋯以及少于3wt％的氧化硅。
透氣耐火組合物可以包括任何合適的耐火組合物，包括碳結(jié)合的、氧化物結(jié)合的、樹脂結(jié)合的或者澆注成型的耐火材料，但是優(yōu)選包括碳結(jié)合的耐火材料或澆注成型的材料。合適的碳結(jié)合的耐火材料具有抗熱震穩(wěn)定性，是在本領(lǐng)域廣為認(rèn)可的材料。澆注成型的材料通常將干粉末與水混合形成灰漿。其優(yōu)點(diǎn)是，灰漿可以在透氣結(jié)合劑周圍成型，而沒有壓力或溫度極限。
透氣組合物應(yīng)該圍繞不透氣組合物的至少一部分，并且最好是圍繞整個(gè)透氣組合物。與不透氣組合物相比，透氣組合物所期望具有的特征包括可磨性和低熱導(dǎo)率，但也并不是必要的?？赡バ栽试S將耐火制品更容易加工到最終尺寸。低的熱導(dǎo)率使其與熔融鋼水絕熱，并減小了鋼水在水口中凝固的可能性。
透氣組合物允許惰性氣體的擴(kuò)散，這樣惰性氣體就可以充分將熔融金屬和不透氣組合物與侵入的氧屏蔽。透氣組合物的氣孔率可以方便地控制惰性氣體的擴(kuò)散。如上所解釋的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道用于提高氣孔率的大量技術(shù)。也可以使用短效添加劑，例如蠟和揮發(fā)性化合物來提高氣孔率。與氣孔率相結(jié)合也可以采用氣體傳送系統(tǒng)，例如通道、溝槽或裝置，以便于惰性氣體通過透氣材料的傳送和擴(kuò)散。
耐火材料的氣孔率很大程度地決定了其透氣性。透氣組合物的總氣孔率應(yīng)該至少約為15％?；蛘?，透氣組合物的氣孔率應(yīng)該具有比不透氣組合物至少大約5％。此氣孔率的差別足以將氣體傳送通過透氣組合物并遠(yuǎn)離不透氣組合物。
鄰近的開放氣孔對(duì)于增加滲透性尤其有效。氣體可以從一個(gè)氣孔到另一個(gè)氣孔而沒有阻礙。大的氣孔尺寸也有助于氣體傳輸。相對(duì)比而言，小的氣孔尺寸需要更大的壓力來使氣體進(jìn)入透氣組合物。當(dāng)然，大的氣孔會(huì)降低材料的強(qiáng)度。最佳選擇是，透氣耐火材料的平均氣孔尺寸至少為約1微米，并且小于5毫米。
氣體傳送系統(tǒng)可以增加氣體傳輸。這種系統(tǒng)包括在耐火制品內(nèi)或表面上的通道、溝槽或裝置。圖1示出了制品內(nèi)的裝置12。該裝置可以穿孔，以允許沿其長(zhǎng)度的均勻氣體分布。在水口2內(nèi)的通道13具有類似的功能。通常通過將預(yù)壓進(jìn)或鑄造進(jìn)耐火制品中的蠟或其它低熔點(diǎn)材料燒掉來形成通道。
金屬殼14可以與耐火制品一起使用，尤其是在制品是盛鋼桶或中間罐的下水口時(shí)。金屬殼14通常提高了制品在結(jié)構(gòu)上的整體性，并形成對(duì)氧擴(kuò)散的機(jī)械屏障。另外的一個(gè)好處是能夠形成在水口2的外表面8上和金屬殼14之間的溝槽15的氣體通道。這種溝槽通常比耐火制品內(nèi)的氣體通道更容易制造。
圖2示出了本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)例。浸入式水口2從中間罐20的內(nèi)部21延伸到結(jié)晶器22。水口2包括透氣組合物10圍繞的不透氣內(nèi)襯9。水口2包括圍繞入口6的頂面5。與圖1不同，透氣組合物10延伸到頂部表面5。在比鋼水靜壓頭高的壓力下，迫使惰性氣體通過透氣組合物10，可以迫使氣體從頂面5逸出，從而吹洗中間罐20內(nèi)的熔融金屬。明顯地，氬氣凈化還可以通過具有合適構(gòu)造的適當(dāng)水口來實(shí)現(xiàn)。
不透氣組合物和透氣組合物應(yīng)該形成單一耐火制品。這些部分可以是共同壓制的；一種組合物可以圍繞另一組合物或者在另一組合物內(nèi)部；或者包括第一和第二組合物可以通過例如灰漿而被連接在一起。當(dāng)?shù)谝缓偷诙M合物是粉狀時(shí)可以采用共同壓制的方法，并且當(dāng)這些組合物需要類似的處理時(shí)，例如當(dāng)兩組合物都是樹脂結(jié)合的組份時(shí)，其固化時(shí)間相似，尤其可以采用共同壓制的方法。
壓制包括等靜壓和標(biāo)準(zhǔn)的單軸壓制。共同壓制在一種組合物用另一種組合物的預(yù)制件進(jìn)行壓制時(shí)也是可能的。例如，一種材料可以被壓制并焙燒，形成透氣的、碳結(jié)合的預(yù)制件。然后可以將第二種形成不透氣組合物的材料與透氣預(yù)制件一起壓制和固化以形成耐火制品。
或者，不透氣組合物可以是壓制的，并且透氣材料可以在第二種材料中成型或在其周圍澆注成型。在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，滑板可以具有含有不透氣材料的襯里，而板的其余部分可以是多孔的澆注材料。將第一和第二組合物組合在一起的另一個(gè)方法包括，將含有不透氣組合物的第一件制品結(jié)合到含透氣組合物的第二件制品上。一般是使用耐火灰漿來結(jié)合該兩件制品。
本發(fā)明的方法包括將基本上不透氣組合物襯于耐火制品的內(nèi)孔，用透氣組合物圍繞不透氣組合物的至少一部分，使透氣組合物充滿惰性氣體。
在一個(gè)實(shí)施例中，如圖1所示，過壓的惰性氣體將熔融金屬與氧屏蔽。在另一實(shí)施例中，如圖2所示，惰性氣體在水口內(nèi)孔內(nèi)將熔融金屬與氧屏蔽，并凈化冶金容器內(nèi)的熔融金屬。
明顯地，對(duì)本發(fā)明的大量改進(jìn)和變化都是可能的。因此，應(yīng)該理解為，本發(fā)明可以在在下面權(quán)利要求的范圍內(nèi)實(shí)施，除非另有說明。雖然本發(fā)明已經(jīng)對(duì)于某些優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，對(duì)本發(fā)明的不同改變、改進(jìn)和添加都將是很明顯的。所有這些改進(jìn)、改變和添加都認(rèn)為包含在該專利的范圍內(nèi)，并僅由所附的權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.用于熔融金屬鑄造的耐火水口，其具有入口、與入口流體連接的出口、外表面、在入口和出口之間限定內(nèi)孔的內(nèi)表面、以及圍繞入口的頂面，該水口適于接收惰性氣體流，其特征在于a)襯于內(nèi)表面至少一部分的基本上不透氣的耐火組合物；b)圍繞不透氣組合物的至少一部分的透氣耐火組合物，該透氣組合物具有足以允許惰性氣體擴(kuò)散的氣孔率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的耐火水口，其特征還在于，透氣組合物具有至少15％的氣孔率。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的耐火水口，其特征還在于，透氣組合物包括開放氣孔結(jié)構(gòu)以及至少1微米的平均氣孔尺寸。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的耐火水口，其特征還在于，透氣耐火組合物選自碳結(jié)合的耐火材料、氧化物結(jié)合的耐火材料、樹脂結(jié)合的耐火材料、可鑄造耐火材料和它們的混合物。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的耐火水口，其特征還在于，不透氣耐火組合物選自碳結(jié)合的耐火材料、氧化物結(jié)合的耐火材料、樹脂結(jié)合的耐火材料、澆注成型耐火材料和它們的混合物。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的耐火水口，其特征還在于其含有抗氧化劑的不透氣組合物。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的耐火水口，其特征還在于，不透氣組合物包括樹脂結(jié)合的耐火材料，該樹脂結(jié)合的耐火材料含有50～90wt％的耐火聚集體、1～10wt％的結(jié)合劑以及0.5～15wt％的反應(yīng)性金屬。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的耐火制品，其特征還在于，耐火聚集體包括選自氧化鋁、氧化鋯、氧化鈣、氧化鎂、氧化硅以及它們的混合物和化合物的至少一種耐火材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求7和8中任何一個(gè)的耐火水口，其特征在于，反應(yīng)性金屬包括選自鋁、鎂、硅、鈦，它們的混合物和合金中的至少一種金屬。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的耐火制品，其特征還在于，不透氣耐火組合物由如下的混合物制成，該混合物包括65～80wt％的熔融氧化鋁、2～30wt％的燒結(jié)氧化鋁、1～10wt％的結(jié)合劑、0.5～10wt％的金屬鋁、最高為15wt％的氧化鋯以及少于3wt％的氧化硅。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的耐火水口，其特征還在于，水口包括惰性氣體傳送系統(tǒng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的耐火水口，其特征在于，氣體傳送系統(tǒng)選自通道、溝槽和裝置。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的耐火水口，其特征還在于，金屬外殼至少部分地圍住水口的外表面。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的耐火水口，其特征還在于，透氣組合物延伸到頂面，從而在惰性氣體的壓力超過熔融金屬中的鋼水靜壓頭時(shí)惰性氣體可以凈化熔融金屬。
全文摘要
描述了用于傳送來自冶金容器的液態(tài)金屬流的水口(1)。結(jié)合惰性氣體，水口可以將液態(tài)金屬與氧屏蔽，此外，還可以通過吹入氬氣來凈化駐留在冶金容器中的液態(tài)金屬。水口包括透氣組合物(10)和由其包裹的基本上不透氣的內(nèi)襯(9)。不透氣內(nèi)襯可以包括樹脂結(jié)合的材料，透氣組合物最優(yōu)是采用由碳結(jié)合的或者澆注成型的耐火材料。金屬外殼(14)可以包裹水口。
文檔編號(hào)B22D41/58GK1694774SQ03824804
公開日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2003年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月3日
發(fā)明者J·里紹 申請(qǐng)人:維蘇維尤斯·克魯斯布公司