專利名稱：對耐火材料鉆孔的等離子吹管和使用方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種用來鉆入耐火材料而專門設計的水冷卻的等離子吹管。
本發(fā)明還涉及采用這種專門設計的等離子吹管來打開熔爐(例如金屬熔煉爐、高爐或電弧爐)壁上的用泥塞堵住的分流孔的方法。
通常，在高爐、電弧爐或其他類型的金屬熔煉爐的下部設置有稱之為“放液孔”的孔，用來將在熔爐內(nèi)處理過的金屬液導入到鋼水包內(nèi)。這樣設置在金屬熔煉爐壁內(nèi)的分流孔通常是圓柱形的，并在爐子是剛性結(jié)構(gòu)而且不能傾斜倒出金屬液的時候使用。
當然，這種放液孔在導出金屬后必須堵住，以避免液體金屬上部的渣子流出來與鋼水包內(nèi)的金屬液混合。為此，常用含有氧化鋁、氧化硅和石墨的粘土混合料制成的耐火泥塞來堵孔。這種耐火泥塞擠成可插入孔內(nèi)的輥狀，并擠入對準被堵分流孔的噴口內(nèi)。
為了準確地堵塞放液孔，必須準確地校準放液孔的內(nèi)壁尺寸，從而使成形輥塞的直徑與放液孔的直徑一樣大。為此，必須在爐子每次作業(yè)后用精確的方法打開放液孔。
現(xiàn)在，有四種通用的打開爐子放液孔的方法。
第一種方法是用風鉆“鉆”泥塞。這種獨特的機械方法的優(yōu)點是不需要水，鉆出的孔很容易校準。但是，這第一種方法只能用在孔的深度有限的情況下，并且只能在中溫下用。而且設備的維修成本很高，因為在使用中當鉆頭與金屬液接觸時往往被毀壞或嚴重損傷。
第二種方法常與上述第一種方法合并使用，是用氧矛將泥塞熔化。氧矛有一根鋼管，可插入放液孔內(nèi)，并噴入一種氧與鐵粉的混合物，鐵粉氧化產(chǎn)生大量的熱，將泥塞熔化。這第二種方法是相當便宜的，但其主要缺點是開孔不均勻，因為鐵與氧的反應不能以控制的方式在孔內(nèi)進行，因此，在分流孔壁內(nèi)常產(chǎn)生一些空穴，這對于孔的校準有很不利的影響。這種方法的另一個缺點是氧切割技術(shù)幾乎不可能實現(xiàn)自動化。
第三種打開放液孔的通用方法是借助于與爐子電源連接的石墨電極與泥塞本身之間產(chǎn)生的電弧來熔化泥塞。實際上，用這種方法打開直徑有限的孔特別是較深的孔時，效率是很低的，而且，泥塞的材料還必須有足夠的導電性才能傳導電弧，電弧也不能被適當?shù)貙б?。因此，孔的校準就做不到?br> 第四種打開放液孔的方法是用鋅丸噴射泥塞，由于進入放液孔的鋅丸本身的氣化作用而獲得噴射效應，故這種方法確實很適合于以十分“干凈”的方式打開放液孔。但是，用這種方法打開的孔必須有一定的深度，而且進行噴射之前應處于高溫下，此外，還有回彈的危險。
為了保持準確校準的放液孔直徑，任何開孔的均勻性和再現(xiàn)性是重要的。用氧矛或電弧傳導的方法具有擴張孔的底部尺寸的傾向，因為，熱不能導引出，并且熔化區(qū)尺寸不能控制。這又會引起隨后塞入的新泥塞壓不住，并且不能保持在孔內(nèi)，從而導致金屬液漏泄，這是很危險的。而且還可能發(fā)生這樣的情況，即孔被擴大，致使不可能用泥塞來堵住金屬流，因此必須停爐修理分流孔。
轉(zhuǎn)讓給SINTEF的美國專利No.4，289，949敘述過上面提到的打開放液孔的通用方法的缺點，并提出用等離子燃燒嘴的方法來克服這些缺點。該專利提出的等離子燃燒嘴包含一個置于中央的電極和一個外電極，電極是用構(gòu)成一個連續(xù)自耗系統(tǒng)的非熔化的和純凈的材料制成。外電極做成管狀，另一根管狀或棒狀的電極同軸地安裝其內(nèi)部。用這種裝置來噴射一種氣體通過兩電極之間直到電極前端的通道，在電極前端，從內(nèi)電極的端部發(fā)生放電。
SINTEF專利分開的等離子燃燒嘴主要是設計用來加熱金屬液的，雖然在說明書上提出用來打開分流孔，但未見有這種應用的實例和試驗結(jié)果的報道。
實際上，眾所周知，用石墨或碳化硅制的電極是非常脆的對電極小小的敲擊就可能使吹管破裂，以致不能工作。
而且，眾所周知，采用兩根同軸的管狀電極不能通過加大氣流量來拉長電弧，因為電極之間的空間保持不變，而且工作電壓低也使得傳導到等離子氣體的功率也低。因此，為了獲得大的功率就必須有很高的電流，這樣，電極的腐蝕就很嚴重。
此外，采用兩根用自耗材料制成的同軸電極不可能得到精確規(guī)定的同軸輪廓線的等離子射流，而這又是以精確而可再現(xiàn)的方式打開分流孔所真正需要的。
其實，依申請人看來，目前尚未有可用來打開金屬熔煉爐的放液孔的等離子吹管。這是因為還沒制成在商業(yè)上可得到的用來插入分流孔內(nèi)的水冷卻吹管。為了熔化泥塞必須將吹管插入孔內(nèi)一個較大的深度，以減少鉆孔時間，并確信泥塞已以精確的方式熔化了。但是，大多數(shù)在商業(yè)上購到的吹管都不能承受放液孔內(nèi)常有的高溫。因此，將它們插入放液孔內(nèi)就可能導致它們的靠近熔化區(qū)的前密封接頭漏水。
另外，使用現(xiàn)有的吹管，可能在前電極的弧接觸點上沉積一些熔融材料，從而造成電弧不規(guī)則地工作而縮短電極壽命。
本發(fā)明的目的是提供一種改進的水冷卻的等離子吹管，其結(jié)構(gòu)特別適合于承受像在分流孔內(nèi)會遇到的那種苛刻的工作條件。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種打開在爐壁上用泥塞堵住的放液孔的方法，該方法采用本發(fā)明的改進的等離子吹管，能避免上面所述的各種公知的方法具有的大多數(shù)缺點。
根據(jù)本發(fā)明研制的改進的水冷卻等離子吹管用來鉆耐火材料，它很適用于以精確而可再現(xiàn)的方式打開金屬熔煉爐爐壁上的放液孔。這種吹管有用水冷卻的電極，它的前端設計成其頭部可承受很高的溫度而不漏水。
更具體地說，本發(fā)明的等離子吹管有一個用不銹鋼制的長圓筒形的主體，在其外表面用等離子噴射法沉積一層諸如氧化鋁、氧化鋯或氧化鎂之類的耐火陶瓷。這層耐火陶瓷起到電絕緣和隔熱的重要作用，它確實可保護吹管內(nèi)部的零件不受熱的影響，而且在鉆孔過程中，該陶瓷層還或防止熔融材料在其表面上沉積。由于有了這種陶瓷層，可減少通過吹管水冷卻系統(tǒng)的熱損失，而且放液孔內(nèi)的溫度更高，這就有可能更容易排出熔融的材料，更快打開放液孔。當構(gòu)成吹管本體的不銹鋼外殼處于比泥塞高的電勢時，該陶瓷層便是一種良好的絕緣體，防止電弧觸擊吹管表面和損壞吹管。
被設計成邊打孔邊進入放液孔的吹管前端支承著兩根同軸排列的空心電極，這兩根電極用水冷卻，最好用銅合金制成，它們可與高壓直流電源連接。通過高壓脈沖在電極之間引弧，然后，通過噴入電極中心孔并被電弧加熱到很高溫度的氣體的強烈渦流將弧柱拉長。
前電極的中心孔設計成可使電弧觸點在一定的氣流速度下接近或處在吹管的尖部，為此，將前電極的中心孔做成一種噴嘴狀，等離子射流以一規(guī)則的輪廓線和足夠高的軸向速度從該噴嘴噴出，以防止熔融材料沉積在電弧貼附的電極區(qū)。
這種高動量的等離子射流能夠以很快的速度熔化和破碎任何耐火材料，并能夠用離開孔的氣體來排除熔融材料液滴。
本發(fā)明的吹管最好設計成在其前端的水冷卻系統(tǒng)中只有一個O型環(huán)密封，這個單一O型環(huán)受到一對在其兩側(cè)延伸的細水管和等離子噴射在殼體外表面的陶瓷層的保護，使之免受外部加熱。為獲得這種效果，前電極設計成構(gòu)成進入放液孔的吹管尖部，并將其外徑選擇為稍大于吹管主體的外徑，從而使離開孔的氣體不直接與O型環(huán)所處區(qū)域接觸。
專門設計的冷卻水管道使經(jīng)過強軟化處理的水流均勻分布，并保證吹管尖部的弧觸區(qū)和O型環(huán)冷卻良好。這樣的設計也使得可以快速地拆下前電極，以便檢查O型環(huán)和更換已腐蝕的兩個電極。
因此，根據(jù)本發(fā)明提供了一種改進的用來熔化和破碎熔爐放液孔中的泥塞以便以精確而可再現(xiàn)的方式打開這個放液孔的水冷卻等離子吹管，它由如下幾部分組成一個不銹鋼制的空心殼體，該殼體具有圓筒形外表面，其前端敞口;
一對在空心殼體內(nèi)同軸安裝成排的前、后空心電極，前電極位于吹管的前端(下稱吹管“尖部”)，帶有中心通孔;
一個同軸安裝在空心殼體內(nèi)的上述空心電極之間的電絕緣隔環(huán);
在空心殼體內(nèi)延伸的普通機構(gòu)，用來將空心電極與外電源連接，以便在電極之間產(chǎn)生一種在每個電極上都有觸點的電弧;
在空心殼體內(nèi)的另一種普通機構(gòu)，它可與具有一定氣流速度的外來等離子氣源連接，用來將等離子氣噴射入電極之間的空間;
與外部水管道連接的水管系統(tǒng)，用來導引空心殼體內(nèi)的冷卻水流全都沿著空心殼體流到它的前端，以便從外部冷卻前、后電極和隔環(huán)，并從內(nèi)部冷卻空心殼體的外表面。
按照本發(fā)明，所述的等離子吹管的改進在于它還包括一種用等離子噴射法沉積在空心殼體外表面上的陶瓷材料保護層;
上述等離子吹管的前電極有一個設置有大小與空心殼體的前端相配合的圓筒形向后部分的前端和一個越過上述空心殼體前端延伸的圓筒體形的向前部分，該部分構(gòu)成等離子吹管的尖部并且最好有一個稍帶錐形的前表面，其大小是從空心殼體的外表面四周徑向向外延伸一個短距離。因此，在使用中就可以稍稍反射從放液孔出來的等離子氣體，使之不同空心殼體的前端相接觸;
前電極的中心通孔的大小和形狀使發(fā)出的等離子氣體射流在上述的給定的氣流速度內(nèi)具有規(guī)則輪廓線和有高的軸向速度，以便保證前電極的電弧貼附點接近或處在等離子吹管的尖部;并防止熔融材料沉積在吹管尖部;射流的動量足以熔化和破碎泥塞并同時以很快速而有效的方式排出熔融材料;
在吹管前端裝一個單一的O型環(huán)，以對它形成水封，該O型環(huán)沿前電極前端的圓筒形向后部分向周圍延伸;和與上述水管道機構(gòu)接通并構(gòu)成其整體部分的水管道分別設置在空心殼體和前電極前端的向后部分內(nèi)，這些管道沿O型環(huán)分別向內(nèi)向外四周延伸，因此，足以冷卻O型環(huán)，防止其過熱。
根據(jù)本發(fā)明改進的等離子吹管所產(chǎn)生的高溫高速等離子射流可以用來在很短的時間內(nèi)鉆穿分流孔。
因此，本發(fā)明也提供一種打開用泥塞堵住的熔爐的放液孔的方法，該方法的步驟包括熔化和破碎堵住放液孔的泥塞并同時地排出采用本發(fā)明改進的等離子吹管發(fā)出的高溫旋渦氣體射流所產(chǎn)生的熔融材料。
由于本發(fā)明的等離子吹管發(fā)出的等離子射流有規(guī)則的輪廓線，故可以以十分精確的方式打開放液孔。
等離子吹管是公知的工具，通過在兩電極之間產(chǎn)生電弧來形成溫度很高的氣體流。一臺完整的等離子吹管裝置包括等離子吹管、電源(通常是直流電源)、等離子氣源、用來冷卻吹管的冷卻水源、以及控制柜。
該等離子吹管的主要優(yōu)點之一是能夠瞬時地啟動和停止，沒有熱的慣性，因此，當吹管不再受熱時，其水源和電源會立刻中斷，而不致?lián)p壞吹管。
如上所述，用來堵塞放液孔的塞子常用氧化鋁(40%)、氧化硅(40%)和石墨(20%)的混合物制成的泥膏，因此，塞子在高溫下具有導電性。當采用常用的空氣作為等離子氣體時，等離子射流中的氧原子就同泥塞中的石墨起反應，使石墨燃燒，產(chǎn)生一定量的附加熱。因此，采用等離子吹管時，泥塞的化學發(fā)熱對開孔作業(yè)是重要的。當然，如果用純氧而不用空氣作為等離子氣體的話，泥塞的熔化將會大大加快。
但是，就所關(guān)心的鉆孔速度而言，堵塞泥膏的熔解熱和熔化溫度是比泥膏中的碳含量更為重要的因素，實際上，等離子吹管甚至可用來鉆開不含碳的泥塞。如果碳含量高于20%，泥塞的熔點就提高，用空氣燃燒的碳就會比所需要的量多得多，因此大大延長鉆穿放液孔的時間。
為了促進泥塞盡可能快地熔化，泥塞可以導電加熱。如前面所述，泥塞受熱時就變得有導電性，因此，如果泥塞與吹管的電路連接，就有可能在吹管尖端與泥塞之間觸發(fā)電弧。
為此目的，根據(jù)本發(fā)明的一個最佳實施例，通過將吹管的前電極和一個與爐內(nèi)金屬接觸的電極連接一個可以是爐子電源的輔助電源(直流或交流)的方法，把另一個電弧疊加到由等離子吹管發(fā)出的電弧上。
根據(jù)本發(fā)明的另一個最佳實施例，按上面所述方法將等離子吹管與熔爐電路連接，以便以一種混合方式工作，也就是說既按非傳導弧方式又按傳導弧方式進行工作。在此情況下，當吹管足夠靠近泥塞時，等離子弧就傳導到泥塞。
如果使用一種高功率等離子吹管，而且該吹管在鉆孔過程中又必須停留在孔的前面(因為，例如它的直徑大，不可插入分流孔內(nèi))，那么，吹管尖部與泥塞之間的距離就會隨著泥塞的熔化和破碎而增大，而且，最好在供給吹管的空氣或氧氣中添加低電壓氣體例如氬氣，以便盡可能多地降低弧電壓。
在這個實施例中，傳導的或輔助的電流通過泥塞，按照焦耳效應幫助泥塞熔化。而且，測量這種傳導電流或輔助電流可用來實現(xiàn)作業(yè)過程自動化。
鉆開放液孔實現(xiàn)自動化對于以十分精確的方法來操作等離子吹管并使這種方法具有再現(xiàn)性是十分重要的因素。為此，可將等離子吹管裝在導軌上，并借助于液壓缸或類似機構(gòu)使它前后來回移動。除了控制等離子吹管作業(yè)必需的因素(弧電壓、弧電流和等離子氣體流速)外，某些其他因素也用來控制作業(yè)過程，這些因素如下吹管的位置(XY)和傾角(O)，這兩個因素必須調(diào)節(jié)到吹管的縱向軸線與分流孔的縱向軸線精確地重合;
吹管的尖部相對于爐壁前表面的位置(Z);
進入吹管的冷卻水與離開吹管的冷卻水的溫差，可以監(jiān)控這個參數(shù)，以確定插入分流孔的吹管是否過熱，并根據(jù)這個參數(shù)，一旦測出已經(jīng)過熱便可指令吹管快速向后移出;
通過泥塞的傳導電流或輔助電流的強度，這個參數(shù)可用來控制吹管尖部相對于泥塞的位置，控制吹管在分流孔內(nèi)的緩慢推進，并用來確定金屬開始流出時鉆孔作業(yè)終結(jié)的時間。
所有上述參數(shù)都可輸入計算機或輸入能夠控制吹管的工作及其在打開分流孔時的位移的程序自動控制機構(gòu)中。
采用本發(fā)明改進的等離子吹管可綜合上面所述的公知方法的所有優(yōu)點，并且可以容易實現(xiàn)遙控和自動化。使用這種等離子吹管時，泥塞是受很高溫的等離子射流的撞擊而熔化的，同時又由高速離開孔內(nèi)的氣體將所產(chǎn)生的熔融物質(zhì)吹去。
采用本發(fā)明改進的等離子吹管來打開放液孔的方法有如下的重要優(yōu)點可得到具有規(guī)則的同軸輪廓線的等離子射流，故可在不損壞分流孔壁的情況下熔化和破碎泥塞;
該方法有再現(xiàn)性，故容易實現(xiàn)自動化;
可選擇等離子氣體，以實現(xiàn)化學燃燒含有石墨的堵塞泥膏;
當泥塞溫度夠高時，有可能在泥塞上傳導電弧;
在可能使用功率為100KW-2.5MW的等離子吹管，以滿足特定的用途;
可打開良好校準的孔，既使是深孔也是這樣，而不會形成空穴，因為該等離子吹管可產(chǎn)生具有熔化和破碎泥塞所需的全部能量的高度局限的等離子射流，所以，這種等離子射流在工作過程中絕不觸及放液孔的壁。
通過下面結(jié)合附圖對幾個最佳實施例所作的非限定描述，我們將會更好地了解本發(fā)明。在附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種改進的等離子吹管前端的縱向局部剖面圖;
圖2是申請人在實驗室中使用的一種試驗裝置的橫剖視示意圖，該裝置用來模擬打開放液孔和試驗圖1所示的等離子吹管;
圖3是申請人在實驗室中使用的另一種試驗裝置的橫剖視示意圖，該裝置用來打開盛有0.3米高鋼水的熔爐的放液孔;
圖4是以非傳導弧方式使用圖1所示等離子吹管的示意圖，該吹管可在孔內(nèi)平移，以打開放液孔;
圖5是類似于圖3的示意圖，示出一種以混合方式工作的圖1所示的等離子吹管，該吹管可在孔內(nèi)平移，以打開放液孔;
圖6是本發(fā)明的以混合方式工作的高能等離子吹管的示意圖，該吹管置于放液孔的前面，在操作過程中保持不動;
圖7是本發(fā)明的一種等離子吹管的示意圖，該吹管以一種由輔助電源(直流電或交流電)發(fā)出的疊加電弧進行工作，這種輔助電源可以是熔爐的電源，所述吹管可在孔內(nèi)移動，以打開放液孔;和圖8是本發(fā)明的一種高能等離子吹管的示意圖，該吹管以一種由可以是熔爐的電源的輔助電源發(fā)出的疊加電弧進行工作，它被置于放液孔前面，在操作過程中保持不動。
為了簡化起見，在這些圖中凡是類似用途的零件都用同樣的標號標出，即使有時候這些零件的結(jié)構(gòu)和排列方式不相同，也用同樣的標號標出。
下面闡述本發(fā)明的最佳實施例。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明改進的一種典型的用來打開放液孔的等離子吹管的局部剖視圖。
圖1中示出的吹管1是圓柱形的，長2米。它包含一個用不銹鋼制的外殼體或套筒51，殼體外面用等離噴射法施加一層陶瓷53，起到良好的絕緣和隔熱作用。
吹管1的前端55設計成可進入要打開的分流孔內(nèi)，這一點下面將要敘述。該前端55包括兩個同軸直線排列的空心銅合金電極57、59，它們都是水冷的，并以眾所周知的方法按照反極性的方式與高壓電源連接。作為負極的前電極57和作為正極的后電極59用陶瓷絕緣環(huán)61相互絕緣。
在電極57、59之間的間隙中，通過位于鄰近隔環(huán)61的旋體形成環(huán)63內(nèi)的孔64切向噴入等離子氣體，以便在前電極57的中心孔道65內(nèi)形成強有力的旋渦流。
使用時，通過高壓脈沖在電極57與59之間產(chǎn)生電弧，然后，通過可使電弧貼附根部發(fā)生轉(zhuǎn)動的氣體的強烈旋渦使電弧伸長。
根據(jù)本發(fā)明的一個重要特征，前電極57內(nèi)的中心孔65做成一種噴嘴狀，以便使電弧柱69的前附著點67在給定的氣流速度范圍內(nèi)靠近吹管的尖部55。在圖1中，電弧柱69用虛線表示。為了避免電弧根部貼附在同一位置上從而延長電極壽命，可使氣體的進口壓力在一定范圍內(nèi)作周期變動。
由于前電極57的中心孔65具有噴嘴形狀，故從吹管噴出的等離子氣體射流具有嚴格規(guī)定的形狀和輪廓線，并有高的軸向速度。這種射流速度和動態(tài)壓力可以防止吹管在鉆入耐火材料過程中在電弧貼附區(qū)沉積出熔融的粒子。
在使用時，高動量等離子射流具有確定的形狀，這就有可能以很快的速度和精確的方式熔化和破碎任何耐火材料，并且在射流從鉆孔逸散時排除由氣體帶出的熔融材料的液滴。
正如在這特定的領域內(nèi)眾所周知的，電極57和59，環(huán)61和63都裝在殼體51內(nèi)，安裝的方法使得在它們之間形成間隙，以便使軟化水可通過間隙沿著由若干互相連接和/或與電極連接的圓筒形隔板71、73、75所形成的通路按箭頭所指方向環(huán)行流通。上述這些隔板最好是做成一定形狀的，并且普通的方法連接，用于導引冷卻水流在吹管內(nèi)從其后端流到前端然后返回到后端，以便首先從外部冷卻后電極59、隔環(huán)61、旋體形成環(huán)63和前電極57，然后冷卻殼體51的內(nèi)表面。
根據(jù)本發(fā)明改進的水冷等離子吹管的一個特別新穎的特征是它的前電極57有一個設有向后的圓筒形部分79的前端77，圓筒部分79的大小正好與殼體51的前端開口81相配合。前電極57還有一向前部分83伸過殼體的前端形成吹管的尖部55。該向前部分83最好有一圓錐形前表面(如圖1所示)，其大小是從四周徑向向外伸出殼體外表面同一短距離“d”，以便向外反射離開分流孔的熱氣體，防止它們與殼體51的前端相接觸。
這樣的特定裝置使得有可能在吹管1的前端可靠地使用一種單一“O”形環(huán)87，以形成同樣的對水密封。這種單一O形環(huán)87置入設在前電極57的前端77的向后部分79周圍的外槽內(nèi)，并通過水管道89、91防止過熱，這些水管道與冷卻水管相通，分別由在前電極57的前端77的后部79內(nèi)形成的環(huán)形槽和殼體51的前端81組成，這些環(huán)形槽與O形環(huán)87是同軸的，并分別地向內(nèi)向外延伸。
值得一提的是這種特定的設置特別有利于維修設備，因為有可能快速而方便地拆下前電極57以便檢查O形環(huán)87和電極57、59，并且可以接近吹管1的其他結(jié)構(gòu)零件。
如所周知和圖2所示，等離子吹管1是用于完整的等離子吹管裝置的一部分，該裝置包含一個直流電源21、一個外部水管道系統(tǒng)22、一個等離子氣體供給裝置23和一個控制柜(未示出)。
圖2示出一種由申請人在試驗室使用的試驗裝置，用來使吹管1的設計最佳化、試驗其可靠性和檢查其打開放液孔的效率。這些試驗是對類似于電弧爐用的那種泥塞5進行的。泥塞5堵塞住作為放液口的孔3，該孔3是在用高密度氧化鋁磚砌成的爐壁7上鉆出的。泥塞5與氧化鋁磚之間的界面用高密度氧化鋁灰漿粘結(jié)，使得到的結(jié)構(gòu)除了泥塞5的內(nèi)側(cè)未接觸熱的金屬外，與真正的爐壁十分相似。為了保護支柱和裝置免受十分熱的熔融顆粒的噴射，將糧壁7和吹管1安裝在一個小室內(nèi)，并通過通風設備排出煙霧。
吹管1安裝在一個可調(diào)節(jié)的支架17上，并處于與放液孔3的縱向軸線同軸的位置。起動吹管1，并將其功率輸出以及供給它的等離子氣體流調(diào)節(jié)到規(guī)定的值。在實踐中，等離子射流的溫度約5000℃，即兩倍于泥塞的熔化溫度值，后者通常介于2000℃與2500℃之間。
吹管1對著泥塞5緩慢向前推進，當吹管1的頭部位于距泥塞5幾厘米的位置時，泥塞開始熔化，被高動量的等離子氣流攜帶的熔融顆粒開始向四周流出，然后，使吹管1緩慢向前移動，以便進入放液孔3的內(nèi)部，從而繼續(xù)熔化和破碎泥塞5。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，當吹管1進入放液孔時，必須每隔一定時間將它抽出，以便使熔融材料排出孔外，并避免吹管體過熱太甚。如果吹管在放液孔內(nèi)的同一位置停留太長時間，就可能發(fā)生孔內(nèi)壁嚴重過熱，從而使放液孔的直徑出現(xiàn)不希望的擴大。
因此，吹管插入孔內(nèi)必須緩慢地一步一步進行。在每一插入階段后期，必須快速地將吹管頭部從孔內(nèi)移出，并置于放液孔的前面，以便讓氣體射流將積累在孔內(nèi)的熔融材料吹出。然后再將吹管插入孔內(nèi)，回到原先的位置，重新開始其在孔內(nèi)的緩慢向前移動。因此，泥塞的穿鉆是按照吹管1在出鋼口3內(nèi)變換的來回移動的方式進行的。
吹管出口處的冷卻水的溫度可用來確定吹管必須從孔中退出的時間。據(jù)觀察，吹管頭部處于孔內(nèi)部的時候，其出口的冷卻水的溫度比吹管置于孔的前面時測量的溫度約提高10℃。為了避免吹管零件的過熱和/或孔壁的損壞，可以相應地確定一個預定溫度值，以便使吹管的頭部自動地退出。
在實踐中，進行過將近100次試驗，在這些試驗過程中，泥塞的熔化和破碎相當快，產(chǎn)率高，并且對放液孔的內(nèi)壁沒有任何損壞。
試驗是在下列工作條件下進行的
泥塞膏的化學成分 20%C40%Al2O340%SiO2等離子吹管功率 100KW弧電流 200A弧電壓 500V吹管效率 70%等離子氣流量 170-280 l/min吹管直徑 7.5cm吹管長度 200cm泥塞直徑 8.9cm到達的深度 20cm平均工作時間 9.2min平均鉆孔速度 2.2cm/min冷卻水最大溫差 15℃用功率更大的吹管對尺寸更大(直徑12.7cm)的泥塞所進行的試驗得到類似的結(jié)果
等離子吹管功率 200KW弧電流 400A弧電壓 500V吹管效率 70%等離子氣流量 500 l/min吹管直徑 10cm吹管長度 200cm泥塞直徑 12cm到達的深度 20cm平均工作時間 8.8min鉆孔速度 2.2min打開一個放液孔所需的時間實際上與要熔化的泥塞材料的量成正比，與等離子射流的功率成反比。
在上述試驗中，打開放液孔約花8分鐘。但是，應當記住，這些試驗開始時，泥塞5和爐壁7處于室溫下。人們可以理解，在爐內(nèi)存有溫度高于1000℃的金屬液的標準工作狀態(tài)下，打開一個放液孔所需的時間實際上要減少，可能少于5分鐘。
在幾個試驗中，于泥塞5后面放一塊鐵板并與吹管的電源相連接，以檢驗在泥塞被加熱時傳遞電弧的可能性。這些試驗都是成功的，可以證明等離子吹管可按照混合的方式(這一點下面將會解釋)很好地工作。
圖3示出另一種在試驗室里進行試驗的裝置。在這個特定的實施例中，等離子吹管1真正用來打開充滿一熔池11的鋼液的金屬熔爐9的爐壁7中的放液孔3。吹管1由液壓傳動的線性驅(qū)動機構(gòu)來導引，該機構(gòu)包含一個安裝在液壓驅(qū)動臺或支架17上的動力梁15。
最初，用吹管來鉆開爐子9的壁7內(nèi)的直徑為7.6厘米的放液孔3。該爐壁分三層，外層為6.4毫米英寸厚的鋼板，中層為9.2厘米厚的90%氧化鋁耐火磚層，內(nèi)層為7.6厘米英寸厚的碳層。分流孔3用前面所用一樣的泥塞膏堵塞住。
采用傳導弧技術(shù)在熔爐9中熔化400公斤鋼，爐中的鋼液面有34.6厘米高。然后，啟動吹管1，按上述方式鉆出鋼口，3-5分鐘后，等離子焰觸及金屬熔池11，一些鋼液滴隨著離開該出鋼口的氣體從出鋼口噴出，從而表明明塞5已經(jīng)完全熔化了。然后，將吹管從放液孔抽出，讓鋼水澆入鋼水包19內(nèi)。
在上述過程中，從吹管1和孔3排出的氣體被收集在排氣罩20內(nèi)，并由露點分析儀25進行監(jiān)控，以檢測水的滲漏，并激響報警器，以停止在漏水情況下的鉆孔操作。
工作條件如下
吹管功率 100KW弧電壓 500V弧電流 200A等離子氣流量 170-280 l/min泥塞直徑 8.9cm泥塞長度 18cm工作時間 4min鉆孔速率 4.5cm/min可以看出，當泥塞5的后面有鋼水使它加熱時，鉆孔速度大約提高一倍。
圖4-8說明應用上述改進的等離子吹管按照本發(fā)明的方法在金屬熔爐9上打開放液孔3的不同方式。
圖4示出按非傳導弧方式工作的等離子吹管1，用來打開含有金屬熔池11的爐子9的厚壁7(厚0.3米或0.3米以上)的用泥塞5堵住的放液孔3，該吹管1處于與放液孔的縱向軸線同軸的位置，并與直流電源21連接。它是圓柱形的，隨著泥塞被噴射在吹管頭部的等離子射流13熔化和破碎，它沿軸向移入放液孔3。
為此，將吹管1固定到一個安裝在支架17的動力梁15上，支架17可以調(diào)節(jié)，以便使吹管1處于與孔同軸的位置。動力梁15可包含一個液壓缸或類似的機構(gòu)，以便使吹管1沿著固定在支架17的導軌移動。在動力梁15上可置一個保護屏26，用來保護吹管周圍的支柱和各種饋給管路，使之不受熔融顆粒的高溫和噴射的襲擊。通常有三種管道與吹管1連接一種用于輸入電和水;一種用于輸出電和水;還有一種用來供氣。
正如上面已經(jīng)說明的那樣，泥塞的鉆穿是按照吹管1在放液孔內(nèi)交替地來回移支的方式進行的。當泥塞5被完全熔化時，少量的金屬液開始流到吹管1的外表面與放液孔3的壁之間的空隙內(nèi)，從而引起由逸出的等離子氣體帶出的金屬液滴的噴射。此時，由等離子粉13產(chǎn)生的壓力保護吹管1的頭部免受金屬液的影響并起到一種氣塞的作用使金屬液保持在爐內(nèi)。
然后迅速將吹管1從放液孔3移出，讓金屬液流出爐外。
由于等離子吹管是用水冷卻的，因此在鉆孔過程中可能有漏水的危險。如上所述，為了避免漏水，本發(fā)明對吹管1的尖部55的設計作了很大的努力，并在試驗室中用同一根吹管成功地進行過30多次試驗，沒有發(fā)生任何問題。還發(fā)現(xiàn)，電極的腐蝕程度是可接受的，同一對電極的估算壽命約100小時。
在使用中，必須進行周期的檢查以觀察電極的磨損情況。然而，漏水的危險是極小的，因為，在開始的時候，即使有漏水也是很小的，在此情況下，由于吹管1工作時有很高的溫度，漏泄的水將傾刻轉(zhuǎn)變?yōu)樗羝?br> 如上所述，可設置一種機構(gòu)25以準永久的方式分析從放液孔逸出的氣體的成分，以測定可能出現(xiàn)的標志著吹管的冷卻系統(tǒng)有漏水情況的水蒸汽的含量。采用這種機構(gòu)并測出漏水的情況時，必須迅速將吹管從孔內(nèi)移出，并立刻關(guān)掉水和電，當然，這些操作可根據(jù)來自機構(gòu)25的某種信號自動地進行。
圖5示出一種與圖4十分相似的裝置，但其等離子吹管是按混合的方式連接的，以使它可以既按非傳導弧方式工作又可按傳導弧方式進行工作。因此，在該圖中示出的各種結(jié)構(gòu)零件與圖4已示出的零件是相似的，故標以同樣的標號。
圖5示出的另一個實施例的等離子吹管1與直流電源21相接，有兩條分電路，第一條分電路27帶有水冷卻可變電阻37，使吹管1按非傳導方式工作，第二分電路29包括泥塞5、金屬液池11和一個與爐內(nèi)金屬液接觸的電極31，使吹管1按其傳導方式工作。設置可變電阻37的目的是幫助電弧在泥塞上的傳導，電阻的典型值可以是0.5歐姆。
來自電源的總電流I分為流過電阻37的非傳導電流int和通過傳導弧流過泥塞4的傳導電流it。
該吹管1按圖4所示的方式操作，但其電流it值和int值可分別在電路中兩處33和35測量出來，用以控制吹管1的軸向位移。測量這兩個電流值是很快的，比在冷卻水的溫度下所做的任何測量都快，在檢測吹管頭部是否過熱時測量這兩個電流值的時間大約為1秒。當然，it值和int值也取決于吹管頭部相對于泥塞的位置。當吹管1遠離泥塞5時，it＝0，I＝int，當它靠近泥塞5時，it＝0。在總電流I＝400A的條件下進行試驗時，這兩個電流的典型值是it＝100A，int＝300A。
在使用中，吹管1向著泥塞往前移動，最后到分流孔3內(nèi)，直到測得出傳導電流it。然后繼續(xù)緩慢向前推進，以調(diào)節(jié)并保持傳導電流it值在其最大值。當吹管1出口的冷卻水溫達到預定的最大值時(例如，在進口水溫為15℃時出口水溫達到30℃)，就要迅速將吹管1從孔內(nèi)移出，并置于孔的前面，讓等離子射流將積存在孔內(nèi)的熔融材料吹掉。此刻，吹管只按非傳導弧方式工作，因為吹管1的頭部離泥塞5太遠。幾秒鐘后或當出口冷卻水溫。降到例如25℃時，再將吹管插入到其上吹的位置，并再次繼續(xù)向前移動，并通過測量傳導電流it加以控制。當泥塞被完全熔化時，傳導弧與金屬液接觸，傳導電流it達到一個很高的值，該值可用來作為一個信號，根據(jù)這一信號迅速將吹管1從分流孔抽出，并結(jié)束該開孔操作。
這一種打開放液孔的方法特別適合于實現(xiàn)自動化。但是，值得提出的是，有一大部分供給吹管的電能要損失在冷卻電阻37，而且打開放液孔所需的時間實際上比采用圖4所示的方法要長。
圖6示出再一個使用以混合的方式(如圖5所示)工作的高功率(2.5兆瓦)等離子吹管1′的實施例。在這個特殊的實施例中，吹管1′的直徑(16cm)大于泥塞5的直徑。因此，吹管1′不能插入放液孔3內(nèi)。這種吹管1′的等離子射流13′在軸向的長度大于低功率吹管1的射流長度，但是，在使用中仍然需要在泥塞5上傳導電弧以便完全熔化泥塞。
開始時，吹管1′置于放液孔3的前面，并在整個過程中保持固定在這一特定位置上。這個實施例特別有利之處在于它限制了施加在吹管1′頭部的熱應力。在這個特殊的情況下，通過加長電弧長度確實可以完全熔化和破碎泥塞。
使用時，啟動吹管1′，并將它置于距離開始熔化的泥塞5中心幾厘米遠之處。當泥塞受熱時，導電性變好，電弧便開始在泥塞上傳導。一旦在電路中點35處測出有傳導電流it，就可打開開關(guān)41，斷開電阻37。此后吹管1′僅按照傳導弧方式工作。這時，不會有更多的能量損失在電阻37上，由直流電源21輸送的電流全部流過由電傳導有效地加熱的泥塞。
隨著泥塞熔化和熔融材料被高動量等離子射流驅(qū)出，電弧逐步加長。為了使電弧產(chǎn)生這樣的加長，可采用氬氣和氧氣的混合氣體作為等離子氣體。
圖7示出本發(fā)明的另一實施例，它使用帶有疊加弧的像圖4和5所用那樣的等離子吹管1。這個實施例也同圖4的類似，但加了一個輔助電源39，用來在吹管1頭部與泥塞5之間的等離子吹管1的電弧上疊加一個電弧。這個輔助電源可以是交流電(如圖中所示)或直流電，甚至可以是電爐的標準電源。
這個實施例工作的方式類似于上面結(jié)合圖5所述的方式。
這里也測量弧電流用來控制吹管1在放液孔3內(nèi)的位移量。當吹管頭部遠離泥塞時，流經(jīng)泥塞5的傳導電流it為0;當吹管靠近泥塞時，在吹管1與泥塞5之間就產(chǎn)生電弧，并借助于輔助電源來調(diào)節(jié)傳導電流。
在這種混合的方式中，吹管1的外殼處于比泥塞5高的勢位，因此，沉積在外殼體表面上的等離子噴射陶瓷層起到了重要的電絕緣作用，因為它避免了電弧對該表面的攻擊和對吹管的損壞。在此情況下，吹管1的等離子焰對于被限制在前電極與泥塞之間的區(qū)域內(nèi)的輔助電弧給出一條優(yōu)先的路線。
這個使用疊加電弧的實施例的優(yōu)點是容易實現(xiàn)自動化。的確，當泥塞完全熔化時，在輔助電源上就會測出短路，并且來快速退出吹管1，結(jié)束開孔作業(yè)。
圖8示出像圖6那樣的高功率等離子吹管1′，它應用圖7所示的疊加電弧。在這個實施例中，電路分為兩條分電路，第一分電路含有一個用來操作吹管的直流電源21，第二分電路與輔助電源39連接，并設有與鋼液池接觸的電極31。當泥塞受等離子焰加熱變得可導電時，就在吹管頭部與泥塞之間產(chǎn)生電弧，這一電弧疊加到等離子吹管的電弧上。
吹管1′置于放液孔前面，并在操作過程中保持不動。泥塞熔化時，存積在孔內(nèi)的熔液被高速等離子射流迅速驅(qū)去。由于吹管1′停留在放液孔3外，放在吹管頭部的熱應力有限，而且，泥塞熔化時輔助弧的長度增加，因此，可用氬氣與氧氣的混合氣體作為等離子氣體，以降低輔助電弧的電壓。
當然，在不背離所附權(quán)利要求書規(guī)定的本發(fā)明范圍的情況下，還可以對上面所述的各種實施例作其他的改進。
權(quán)利要求
1.一種用來熔化和破碎熔爐的放液孔中的泥塞以便以精確而且可再現(xiàn)的方式打開所述放液孔的水冷卻等離子吹管，該吹管有一尖部并包含如下部分一個不銹鋼制的空心殼體，該殼體有圓筒形外表面，其前端敞口；一對在上述空心殼體內(nèi)同軸安裝排列的前、后空心電極，前電極置于吹管的前端，帶有一中心通孔；一個同軸地安裝在空心殼體內(nèi)的上述空心電極之間的電絕緣隔環(huán)；在上述空心殼體內(nèi)延伸的機構(gòu)，用來連接上述空心電極和外電源，以便在所述電極之間發(fā)出的每個電極上都有觸點的電?。恢糜谏鲜隹招臍んw內(nèi)的機構(gòu)，與具有一定的氣流速度的外來等離子氣源連接，用來在上述電極內(nèi)噴射等離子氣；與外來水流管道連接的水管機構(gòu)，用來導引上述空心殼體內(nèi)的冷卻水流沿著殼體流到其前端，以便從外部冷卻前、后電極和隔環(huán)，并從內(nèi)部冷卻上述空心殼體的外表面；其特征在于所述等離子吹管還包含用等離子噴射法在其空心殼體外表面上沉積的陶瓷材料保護層；上述等離子吹管的前電極有一個設置有大小與所述空心殼體的前端相配合的圓筒形向后部分的前端，和一個越過上述空心殼體的上述前端延伸的圓筒形向前部分，該圓筒形向前部分組成上述等離子吹管的尖部，其大小是從上述空心殼體的外表面四周徑向向外擴大一個短距離，因此，在使用中，可以稍稍反射離開放液孔的等離子氣，使它不觸及上述空心殼體的前端；前電極中心通孔的形狀和大小設計成使發(fā)出的等離子氣體射流在上述給定的氣流速度內(nèi)具有很規(guī)則的輪廓線和高的軸向速度，以便保證前電極的電弧的貼附點接近或處于上述等離子吹管的尖部，并防止熔融材料沉積在該尖部；射流的動量足以熔化和破碎泥塞，并同時以快速而有效的方式排除熔融材料；在吹管的前端裝有一個單一的O型環(huán)，以對它形成水封，該O型環(huán)圍繞前電極的前端的圓筒形向后部分延伸；和與上述水管道機構(gòu)接通并構(gòu)成其整體部分的水管道分別裝設在上述空心殼體和前電極的前端的上述向后部分之內(nèi)，該水管道沿O型環(huán)分別向內(nèi)向外延伸，因此，足以冷卻該O型環(huán)，保護它不致過熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子吹管，其特征在于構(gòu)成所述的等離子吹管尖部的前電極的向前部分有一個稍具錐形的前表面。
3.用由權(quán)利要求1所述的水冷卻等離子吹管打開在熔爐壁內(nèi)用泥塞住的放液孔的方法，其特征在于它包括用所述的水冷卻等離子吹管發(fā)出的高速高溫旋渦氣體射流熔化和破碎堵住放液孔的泥塞的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于所述的放液孔有一縱長軸線，所述的等離子吹管同軸地置于該放液孔的前面，隨著泥塞熔化和破碎，它在放液孔內(nèi)可軸向移動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于所述的等離子吹管在放液孔移動是緩慢的，逐步進行的，進行每一步以后就將等離子吹管移出，以便將熔化在孔的泥塞材料從其中排出，同時，可避免上述放液孔內(nèi)發(fā)生過熱。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于所述的等離子吹管安裝在位于熔爐附近的液壓線性驅(qū)動裝置上，并調(diào)節(jié)它沿著放液孔的縱向軸線前后來回移動。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于上述線性驅(qū)動裝置由計算機控制操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于上述線性驅(qū)動裝置由程序自動控制機構(gòu)有效地控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于它包括測量出進入所述的等離子吹管的冷卻水溫和離開所述的等離子吹管冷卻水溫的差值，該測量值可用來有效地控制上述線性驅(qū)動裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于它包括對從所述的放液孔逸出的氣體進行經(jīng)常的分析，以測定水蒸汽的出現(xiàn)，從而快速確定上述等離子吹管的水管道機構(gòu)是否漏水。
11.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，用在一種金屬熔煉爐上，其特征在于所述的泥塞在高溫下是可導電的;所述的等離子吹管與外電源連接的方式是使吹管既可按非傳導弧方式工作又可按傳導弧的方式工作;上述外接電源是直流電;和上述等離子吹管有一連接直流電源的電路，該電路包含按非傳導弧方式操作等離子吹管的第一分電路和包括一個與爐內(nèi)金屬接觸的電極使吹管按傳導弧方式工作的第二分電路，上述第一分電路裝有一個冷卻的可變電阻，以利于必要時在泥塞上傳導電弧。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于所述的等離子吹管以傳導弧方式工作時可測出傳導電流，該傳導電流是吹管相對于泥塞的位置的一種指示，利用該值可控制吹管的移動、并確定放液孔完全打開的時間。
13.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，用于一種金屬熔爐，其特征在于所述的泥塞在高溫下是可導電的;所述的等離子吹管是高功率吹管，置于放液孔的前面，并在作業(yè)過程中固定不動;上述等離子吹管與其外電源連接的方式要使吹管既按非傳導弧方式又按傳導弧的方式工作;和上述等離子吹管有一條包含第一分電路和第二分電路的電路，該第一分電路與發(fā)出直流電的電源連接，使吹管以非傳導弧方式工作，該第二分電路包括一個與爐內(nèi)金屬接觸的電極，使吹管以傳導弧方式工作，上述第一分電路裝有一個冷卻可變電阻，以利于在泥塞上傳導電弧，上述第二分電路還有測量傳導電流的機構(gòu)，一旦測出有傳導電流，該機構(gòu)發(fā)生動作，自動斷開可變電阻，從而使吹管單獨以傳導弧方式工作，隨著泥塞熔化和破碎，傳導弧的長度增加。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其特征在于當所述的吹管以傳導弧方式工作時，將一種支助氣體添加到等離子氣體中，以便降低電弧逐漸加長時的弧電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求3的用于一種金屬熔煉爐的方法，其特征在于所述的泥塞在高溫下是可導電的;所述的等離子吹管包括在該吹管尖部與泥塞之間產(chǎn)生一疊加弧的機構(gòu)，和上述等離子吹管具有一條包括連接直流電源使等離子吹管以傳導弧方式工作的第一分電路和含有一個與爐內(nèi)金屬接觸的電極的第二分電路的電路，和一個在必要時發(fā)出上述疊加電弧的可用開關(guān)控制的輔助電源。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其特征在于上述輔助電源發(fā)出的電流與吹管的位置有關(guān)，可用來控制吹管的操作和使用。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其特征在于上述等離子吹管是一種高功率吹管，置于放液孔前面，并在作業(yè)過程中保持不動;應用了上述的疊加弧，隨著泥塞熔化和破碎，疊加弧加長;上述的疊加弧的加長使第二分電路的電壓升高;應用上述的電壓升高來控制所述方法的進展。
全文摘要
一種專門設計用來鉆入耐火材料的等離子吹管以及使用這種吹管打開爐壁內(nèi)用泥塞堵住的放液孔的方法。這種特別適于實現(xiàn)自動化的方法包括采用由該等離子吹管發(fā)出的高溫度速旋渦氣體射流熔化和破碎堵著放液孔的泥塞的步驟。該方法的主要優(yōu)點在于，離開吹管的等離子氣流有很規(guī)則的輪廓線，因而可以精確而可再現(xiàn)地打開泥塞，這樣，在爐內(nèi)金屬液流盡以后，就可用新泥塞嚴密地堵住放液孔。
文檔編號H05H1/34GK1064928SQ9111140
公開日1992年9月30日 申請日期1991年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1990年12月5日
發(fā)明者米齊爾·格·得羅特, 杰恩·米尼爾, 霍恩·克·喬伊 申請人:海德羅-魁北克公司