專利名稱：在電磁閥中引導(dǎo)熔融金屬流用的復(fù)合水口裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及陶瓷水口裝置，具體地涉及一種在電磁閥中引導(dǎo)鋼水流用的復(fù)合陶瓷水口。
在金屬鑄造工藝中控制熔融金屬流用的計量水口，在先有技術(shù)中是眾所周知的。這種計量水口通常包括一個由陶瓷材料構(gòu)成的水口，它有一個大小固定的開孔端，液流通過水口的速率是開孔大小和其上熔融金屬高度的函數(shù)。當這種水口被用于鑄鋼工藝中時，通過水口的金屬流借助于一個銅冷凍塞棒來控制，具體地說，當水口的操作者希望停止通過其間的金屬液流時，一個銅冷凍塞棒被嚙合到水口的開孔端部上。該銅冷凍塞棒在水口開孔中局部地“凍結(jié)”熔融金屬，在水口中形成一個固體金屬塞，它有效地支持它上面的熔融金屬柱。為了重新起動液流，操作者刺破計量水口的開孔端部，以便熔化由于外加銅冷凍塞棒而形成的固體塞，不幸的是，使用這樣一種刺桿可能侵蝕形成水口的陶瓷材料，從而損壞水口。
控制熔融金屬流的最新進展之一是使用一個圍繞陶瓷水口形成的電磁線圈。這種線圈在技術(shù)中被稱之為電磁閥，它們能夠通過感應(yīng)加熱重新起動金屬液流，因而不必使用起損壞作用的刺桿。除了無損壞作用的重新起動的特征外，這種電磁閥十分適合于調(diào)節(jié)明澆或質(zhì)量更高的鑄造作業(yè)中的熔融金屬流，后一種作業(yè)在鑄造過程中在熔融金屬上方使用惰性氣體，以保護金屬免受大氣污染。
不幸的是，申請人已經(jīng)觀察到，通常用來制造這種電磁閥中的水口的陶瓷材料的熱性能已經(jīng)明顯地限制了這種電磁閥的使用程度。在這種電磁閥中構(gòu)成計量水口用的最佳材料是氧化鋯，因為氧化鋯的耐蝕性能極高。但是，氧化鋯在遭受停止和起動通過水口的液態(tài)金屬流所伴隨的熱應(yīng)力時易于破裂，這一點明顯地抵消了氧化鋯的有利的耐蝕性能。申請人已經(jīng)觀察到，在這種熱應(yīng)力條件下氧化鋯破裂的不幸傾向是由下列事實造成的，即在當熔融金屬最初流過水口內(nèi)壁時計量水口的壁所經(jīng)歷的熱梯度之內(nèi)的溫度下氧化鋯熱膨脹系數(shù)發(fā)生急劇的變化(減小)。熱膨脹系數(shù)的這種突然變化在水口環(huán)形壁中產(chǎn)生圓周張應(yīng)力，這種應(yīng)力的大小足以在水口壁內(nèi)產(chǎn)生破裂，這種破裂可以傳播到水口表面，從而危及水口壁的結(jié)構(gòu)完整性。
雖然通過將水口壁厚度增加到使水口壁最外層部分的抗張強度足以抵消由熱梯度產(chǎn)生的圓周張應(yīng)力的程度可以解決破裂問題，但是這種水口壁加厚將會在重新起動操作期間成對數(shù)地減小感應(yīng)線圈與水口中金屬塞相互作用并熔化它的效力，因為電磁強度將作為感應(yīng)線圈和金屬塞之間的徑向距離平方的函數(shù)而減小。這樣，為了熔化金屬塞以重新起動熔融金屬流，必須在電磁閥中使用相當大的電功率，這轉(zhuǎn)過來又需要更厚和更貴錢的線圈繞組。但是即使不存在降低電磁效率的問題，單是加厚水口的氧化鋯壁也完全不可能解決問題，因為加在即使加厚的水口壁上的溫度梯度仍然至少可能在材料的熱膨脹系數(shù)發(fā)生變化的水口壁表面上產(chǎn)生微裂紋。如果形成水口的氧化鋯的晶粒結(jié)構(gòu)存在任何缺陷，那么這些微裂紋可能形成完全穿過水口壁厚度而傳播的裂紋，從而危及水口的完整性。雖然水口可以用熱沖擊性能較好的陶瓷來制成(例如氮化硼)，但當這些陶瓷材料暴露于鋼水環(huán)境中時，它們沒有一種具有接近氧化鋯的耐蝕性能。這樣一種水口的內(nèi)表面的快得多的侵蝕，使得即使并非不可能在電磁閥操作期間準確調(diào)節(jié)通過電磁閥的液流，也至少使調(diào)節(jié)變得困難，而且同時需要經(jīng)常(和費錢)地更換水口。
顯然，對于用在金屬鑄造電磁閥中來說，需要這樣一種水口裝置，就是它即能保持氧化鋯的全部抗侵蝕性能，又在最初引導(dǎo)熔融金屬通過水口內(nèi)部而產(chǎn)生熱沖擊時不容易發(fā)生破裂。
本發(fā)明是一種用于在電磁閥中引導(dǎo)鋼一類的熔融金屬流的復(fù)合水口裝置，它克服了目前使用的已知水口所具有的缺點。復(fù)合水口裝置包括一個與一種加壓機構(gòu)相結(jié)合的內(nèi)部水口殼體，這種內(nèi)部水口殼體由氧化鋯之類抗侵蝕的陶瓷材料制成，它在承受最初引導(dǎo)液體金屬流而產(chǎn)生的熱沖擊時遭受其大小足以促使內(nèi)部破裂的張應(yīng)力，而上述加壓機構(gòu)用于將壓力負載加到內(nèi)部水口殼體上，以減小由上述熱沖擊引起的內(nèi)部張應(yīng)力。上述加壓機構(gòu)包括一層設(shè)置在內(nèi)部水口殼體的外部周圍的不導(dǎo)電材料，它最好能夠在水口殼體最初引導(dǎo)液體金屬流時施加圓周和軸向兩種壓力，但還不會顯著干擾由電磁閥用來控制穿過水口裝置的熔融金屬流的電磁場。
在最佳實施例中，上述加壓機構(gòu)包括一個外部水口殼體，它包含并緊密嚙合內(nèi)部水口殼體，這個外部水口殼體是由一種第二陶瓷材料制成的，這種第二陶瓷材料既有比第一陶瓷材料更優(yōu)越的熱沖擊性能，又有與第一陶瓷材料相近的熱膨脹系數(shù)，以便在達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后在內(nèi)部和外部殼體的界面上將應(yīng)力減到最小。一種可以制成外部水口殼體的材料的例子是氮化硼。
此外，為了使最終的復(fù)合水口裝置具有最大的抗張強度，以抵消熔融金屬最初流過氧化鋯內(nèi)部水口殼體時由后者產(chǎn)生的張應(yīng)力，上述外部水口殼體的厚度為內(nèi)部水口殼體的3至10倍(至少為兩倍)。外部和內(nèi)部殼體的壁厚相對尺寸還具有將內(nèi)部水口殼體所經(jīng)受的熱梯度減到最小的有利效果，因為內(nèi)部水口殼體的內(nèi)外直徑越接近，熱量穿過該殼體的傳導(dǎo)也就越快。
在本發(fā)明的另一實施例中，上述加壓機構(gòu)是一條圍繞內(nèi)部水口殼體的外部拉緊地纏繞的耐熱柔性纖維帶，同時外加15至30KSi(千磅/平方英寸)的壓力。這條材料帶最好螺旋形地圍繞內(nèi)部水口殼體的外部纏繞，以便沿圓周和軸向兩個方向施加壓力。在本發(fā)明的這個特定實施例中，最好在耐熱柔性纖維層(它可以由玻璃纖維或礦物纖維構(gòu)成)的外面再加一層耐熱的膠泥層，以便將拉緊地纏繞的材料帶保持在圍繞內(nèi)部水口殼體表面的位置上。
本發(fā)明的復(fù)合水口裝置提供一種理想地適用于電磁閥內(nèi)部的長期耐用的壁薄而耐侵蝕的水口，它不僅減小了操作電磁閥所必需的電能，而且如果在形成水口表面的材料中出現(xiàn)破裂時還提供防備熔融鋼水偶然濺灑的雙壁牢固保護。
在下面詳細說明本發(fā)明的過程中，需要參考附圖，其中

圖1是連鑄系統(tǒng)示意圖，舉例說明計量水口被應(yīng)用于此種系統(tǒng);
圖2是圖1中環(huán)行起點區(qū)域的放大圖，舉例說明先有計量水口的截面?zhèn)纫晥D;
圖3是電磁閥樣品的截面?zhèn)纫晥D，本發(fā)明的計量水口最適合于此種電磁閥;
圖4是一組圖線，舉例說明制成水口裝置內(nèi)部水口殼體的氧化鋯的膨脹系數(shù)是怎樣隨溫度而變化的，同時說明膨脹系數(shù)可以在不同的氧化鋯樣品之間變化的程度;
圖5舉例說明溫度怎樣隨沿A-A線的徑向位置而變化，A-A線沿圖6所示內(nèi)部水口殼體壁厚的橫切方向畫出;
圖6是電磁閥中所用的目前工藝的(單種材料)水口殼體的截面?zhèn)纫晥D，利用一組等溫線舉例說明當水口被用于引導(dǎo)熔融鋼水時穿透水口殼體壁的溫度分布;
圖7是一組圖線，舉例說明對應(yīng)于圖4所示高低熱膨脹系數(shù)的沿圖6中所示水口殼體的A-A線的圓周應(yīng)力和軸向應(yīng)力分布。
圖8是一組圖線，舉例說明對應(yīng)于較低的膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)和水口殼體內(nèi)外壁表面之間四種不同的溫度差，圓周應(yīng)力是怎樣隨沿圖6所示殼體壁的A-A線的徑向位置而變化的;
圖9也舉例說明對應(yīng)于圖4中所示的較高的膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)和參考圖8的同樣四種溫度差，圓周應(yīng)力是樣隨沿圖6中A-A線徑向位置而變化的;
圖10是本發(fā)明的復(fù)合水口裝置的最佳實施例的截面?zhèn)纫暿疽鈭D，舉例說明一個用氧化鋯制成的內(nèi)部水口殼體是怎樣被緊密地包含在一個陶瓷材料制成的外部水口殼體內(nèi)的，后一種陶瓷材料具有優(yōu)越的熱沖擊性能，例如是氮化硅;
圖11是本發(fā)明第二實施例的側(cè)視圖，其中，一條用玻璃纖維或礦物纖維制成的耐熱纖維帶在拉力下成螺旋形地纏繞在氧化鋯內(nèi)部水口殼體周圍，以便外加一個圍繞氧化鋯的壓力負載。
圖1示意地舉例說明最適合于使用本發(fā)明的復(fù)合水口裝置的連鑄系統(tǒng)的類型。這樣一個系統(tǒng)1包括一個保持熔融鋼水用的鋼水包容器3，它置于中間包5的上方。一個置于鋼水包容器3底部的滑門裝置7使容器3能間歇地向中間包5充滿熔融鋼水。中間包5再利用多個置于其底部的計量水口11(圖中僅示出1個)將熔融鋼水連續(xù)地注入模具9，計量水口11的目的是以完全相同的速率將熔融鋼水注入模具9，使系統(tǒng)1能夠?qū)⑷廴阡撍淠蓤D中所示的鋼條12。因此，每個計量水口11的孔徑要求大小均勻。中間包5中熔融鋼水的高度被用來調(diào)節(jié)通過計量水口11的熔融鋼水流。系統(tǒng)1還包括一個噴灑裝置15和一個矯直裝置17，噴灑裝置15用于冷卻從模具9底部連續(xù)出來的新鑄鋼條12。
現(xiàn)在參考圖2，先有技術(shù)計量水口11通常包括一個用高密度氧化鋯制成的水口殼體18，其外接一個用低密度氧化鋁制成的井塊20。熔融鋼水流通過計量水口殼體18的控制是通過用前述方法移動折銅冷凍塞棒13完成的。雖然圖2所示種類的計量水口能夠提供連鑄系統(tǒng)1中需要的那種均勻鋼水流，但是它們卻并非沒有缺點。具體說來，當需要通過這種計量水口11來完全關(guān)斷熔融鋼水流時，就將銅冷凍塞棒13插入水口孔的底部，直到熔融鋼水在殼體18內(nèi)局部凍結(jié)成固體鋼塞。為了重新起動鋼水流，必須手動地刺破置于水口殼體18的內(nèi)徑中的固體鋼塞，直到形成這個塞子的鋼恢復(fù)到熔融狀態(tài)。這樣一種刺破過程不僅費時間(按照損失生產(chǎn)時間來說也因此而費錢)，而且侵蝕損壞構(gòu)成計量水口11的孔的陶瓷材料，從而危及連鑄系統(tǒng)1操作中金屬流的連續(xù)均勻性。
圖2中所示的先有技術(shù)計量水口11具有的缺點導(dǎo)致圖3中以截面表示的電磁閥25的發(fā)展。這種電磁閥包括一個水口殼體26，它雖然是同樣用先有技術(shù)計量水口11的同一種氧化鋯材料制成的，但被鑄造成不同的形狀。具體地說，水口殼體26包括一個錐形頂部27，它用膠泥密封到一個漏斗形的井塊28上，水口殼體26還包括一個錐形底部29，以及一個置于其內(nèi)徑中的魚雷形構(gòu)造30。該魚雷形構(gòu)造30利用四個翼板31(圖中只示出兩個)支承在內(nèi)徑中，四個翼板31在魚雷形構(gòu)造30的主體和水口殼體26的內(nèi)徑之間形成四條弧形的流動路徑。如圖所示，水口殼體26的出口33外接錐形底部29。水口殼體26的外壁受圓筒形氧化鋁安全襯套35的包圍，而殼體26的錐形主體29延伸通過支承鋼板37中的開孔，該支承鋼板37的作用是支承電磁閥25內(nèi)的水口殼體26。
與通過先有技術(shù)計量水口11調(diào)節(jié)熔融鋼水流使用的在中間包5中進行困難的熔融鋼水高度控制不同，電磁閥25包括一個具有螺旋形部分41的感應(yīng)線圈39，它緊密地圍住包圍水口殼體26的氧化鋁安全襯套35。螺旋部分41的終端是一對導(dǎo)線43，它們最后連接到一個電源上(未圖示)。整個電磁閥被包含在一個吊斗狀的氧化鋁罩45內(nèi)，該氧化鋁罩45利用三個支承鉤47(圖中只示出一個)附著到中間包5的底壁上。在操作中，通過在魚雷形構(gòu)造30的翼板31和水口殼體26的內(nèi)徑之間形成的四個弧形流動路徑的熔融鋼水流受到由感應(yīng)線圈39產(chǎn)生的磁場的控制。在理論上，線圈39傳導(dǎo)的電流可以大到產(chǎn)生一個能夠完全使熔融鋼水流停止通過水口26的磁場。但是，產(chǎn)生的能量將使鋼蒸發(fā)。因此，上述通過一個銅冷凍塞棒13停止熔融金屬流的方法適用于電磁閥25，重新起動金屬流是通過感應(yīng)加熱在幾秒鐘內(nèi)完成的，不存在由刺破方法造成的損壞。因此，這種電磁閥25不論何時需要使熔融鋼水流停止通過水口殼體26都消除了使用刺破方法的要求。此外，使用磁場代替控制中間包5中熔融的高度能導(dǎo)致更準確地調(diào)節(jié)通過水口殼體26的熔融鋼水流，從而改進了整個連鑄系統(tǒng)1的操作。
雖然電磁閥25在調(diào)節(jié)連鑄系統(tǒng)中熔融鋼水流的技術(shù)中構(gòu)成了主要的進步，但是這種電磁閥25卻并非完全避免了其它操作問題。具體地說，本申請人已經(jīng)注意到，氧化鋯水口殼體26的相對較薄的壁當熔融鋼水最初注入通過這樣一種殼體27的內(nèi)徑時，由于熱沖擊而易于發(fā)生破裂。一種提出來解決問題的辦法是加厚水口殼體26的壁，直到與先有技術(shù)計量水口11相關(guān)的壁部分相接近。但是，這樣一種解決辦法將需要增加感應(yīng)線圈39的螺旋形部分41的直徑，這轉(zhuǎn)過來會減弱由線圈產(chǎn)生的磁場強度，減弱的量正比于線圈直徑增加量的平方。雖然相對減弱的磁場可以通過加粗組成線圈39的銅導(dǎo)線的截面積來補償，并進一步通過傳導(dǎo)更多的電流通過線圈來補償，但是這樣一種解決辦法會顯著地增加制造和操作電磁閥25的費用。另一種提出的解決辦法是用一種遇到熱沖擊時不易破裂的陶瓷材料來代替通常構(gòu)成此種計量水口殼體的氧化鋯。但是，并沒有其他已知的商業(yè)上實用的陶瓷材料具有氧化鋯在流通的熔融鋼水方面所具有的耐侵蝕性能。因此，如果水口殼體26是由耐蝕性較差的另一種陶瓷材料制成的，那么，鋼水流的準確調(diào)節(jié)將變得更加困難得多，因為魚雷形構(gòu)造的翼板31和水口殼體26的內(nèi)徑之間的弧形流動路徑隨時間而變寬。此外，這樣一種水口殼體的較低的耐蝕性能會需要更經(jīng)常的更換，這很費錢，不僅是由于更換殼體，而且還由于進行更換需要系統(tǒng)停產(chǎn)。由于所有這些原因，本申請人決定不是通過加厚管壁或用不同的陶瓷材料制造水口殼體來解決水口殼體破裂問題，而是通過確定破裂的基本原因來解決問題，并消除該問題。
圖4、圖5和圖6代表表明破裂問題原因的數(shù)據(jù)。圖4是一組圖線，舉例說明制成一個水口殼體的氧化鋯熱膨脹系數(shù)是怎樣作為溫度的函數(shù)而變化的。這組圖線代表的數(shù)據(jù)表明，對于室溫以上直到約972℃(1800°F)的溫度，氧化鋯的膨脹系數(shù)基本上恒定，而在該溫度以上直到約1522℃(2800°F)，膨脹系數(shù)實際上越來越小，后一溫度是熔融鋼水的溫度。這組圖線中的兩邊曲線是由于包括多個不同氧化鋯樣品的大量樣品點而產(chǎn)生的，本申請人在研究過程中驚奇地發(fā)現(xiàn)，雖然膨脹系數(shù)在972℃(1800°F)左右確實劇烈變化，但是對于所有試驗過的氧化鋯試樣，在不同類型的氧化鋯中熱膨脹系數(shù)還基本上不同。圖4圖線中上面的曲線是通過所有在各種試樣中測到的熱膨脹系數(shù)的高值而畫成的線，下面的曲線是通過所有測到的低值而畫成的線。熱膨脹系數(shù)之間的差異在大約1302℃(2400°F)似乎達到最大，該處最低的膨脹系數(shù)等于1.8，最高的膨脹系數(shù)大約等于3.75。圖5代表的數(shù)值表明，任何破裂問題的通用解決辦法必須不僅考慮氧化鋯熱膨脹系數(shù)在1800°F及以上的溫度發(fā)生顯著變化，而且還要考慮該系數(shù)的絕對值在不同的氧化鋯樣品之間顯著不同。
圖5和圖6舉例說明在水口殼體內(nèi)達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后從水口的內(nèi)壁到外壁橫穿圖6中A-A線的溫度梯度。具體說來，圖表的右邊表明，水口殼體內(nèi)壁的溫度大致與流過內(nèi)壁的熔融鋼水的溫度相同(即大約1522℃(2800°F))，而水口殼體的外壁在熱平衡時達到大約642℃(1200°F)的溫度。在起動時，熱梯度當然是最大的，因為水口殼體的內(nèi)壁當熔融鋼水最先通過內(nèi)壁時將立即承受1522℃(2800°F)的溫度，而外壁卻非常接近環(huán)境溫度，在所有情況下，應(yīng)當注意到，穿過一種具有電磁閥25所用殼體的形狀和尺寸的水口殼體的壁的溫度梯度將包括972℃(1800°F)轉(zhuǎn)變點，在該點氧化鋯的熱膨脹系數(shù)將發(fā)生變化。
圖7舉例說明，在熔融鋼水于1522℃(2800°F)流過氧化鋯水口26時運行的電磁閥25已經(jīng)達到熱平衡狀態(tài)后，圖6所示的水口26中產(chǎn)生的對應(yīng)于熱膨脹系數(shù)高低值的圓周應(yīng)力和軸向應(yīng)力，熱膨脹系數(shù)高低值確定在圖4的圖線中。圖7的垂直軸代表應(yīng)力，單位為Ksi(千磅/平方英寸)，水平軸代表沿圖6中A-A線的應(yīng)力徑向位置。由菱形數(shù)據(jù)點連成的曲線代表在圖6所示形狀的水口殼體內(nèi)存在的對應(yīng)于熱膨脹系數(shù)較低值的圓周應(yīng)力。而由方形數(shù)據(jù)點連成的曲線代表對應(yīng)于膨脹系數(shù)較高值的這些同樣的圓周應(yīng)力。同樣，由三角形數(shù)據(jù)點連成的曲線代表圖6所示水口殼體對應(yīng)于熱膨脹系數(shù)較低值沿垂直軸的應(yīng)力，而由叉形數(shù)據(jù)點連成的曲線代表對應(yīng)于熱膨脹系數(shù)較高值的這些軸向力。不管使用熱膨脹系數(shù)的何種特定值，很明顯，所有氧化鋯中都存在的在大約972℃(1800°F)處熱膨脹系數(shù)的劇烈變化在熱穩(wěn)定狀態(tài)下在水口殼體壁內(nèi)某處產(chǎn)生應(yīng)力曲線和伴隨值的劇烈屈折，這些伴隨值至少為約17KSi的大小。
當然，當熔融鋼水最初流過水口殼體的內(nèi)徑時這些應(yīng)力是更為劇烈的，這些更為劇烈的應(yīng)力示于圖8和圖9。
具體說來，在圖8中，圓周運動(單位為KSi)對四種不同的梯度進行畫線，包括對應(yīng)于較低的膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)當水口殼體的外壁加熱到532℃、736℃、1082℃和1302℃(1000°F，1370°F，2000°F和2400°F)時存在的梯度(分別用方形數(shù)據(jù)點、叉形數(shù)據(jù)點、菱形數(shù)據(jù)點和三角形數(shù)據(jù)點代表)。當然，水口殼體內(nèi)壁的溫度總是處在1522℃(2800°F)，這是熔融鋼水的溫度。如從方形數(shù)據(jù)點畫的曲線中清晰可見的(此處水口的外壁溫度僅為532℃(1000°F))，在沿圖6中A-A線約0.7-0.9英寸處的點上，圓周應(yīng)力是相當劇烈的，其大小分別為約19KSi張力和28KSi壓力。雖然如果水口外壁溫度可以達到1082℃(2000°F)或更高的話，這些圓周應(yīng)力會顯著減小，但如果沒有輔助加熱，這是達不到的，因為外壁溫度在穩(wěn)定狀態(tài)下升到約807℃(1500°F)最大值。因此，即使在達到穩(wěn)定狀態(tài)后，圓周應(yīng)力仍然處在非常高的水準，并且絕不會降低到不重要的水平。
圖9舉例說明對于較高的膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)對圖8中存在的同樣四種熱梯度(即外壁溫度為532℃、737℃、1082℃和1522℃(1000°F，1373°F，2000°F和2400°F)分別用方形、叉形、菱形和三角形表示)在水口殼體壁的內(nèi)部作為徑向位置函數(shù)的圓周應(yīng)力。有趣的是，雖然對于較高的膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)對外壁溫度僅532℃(1000°F)的較劇烈熱梯度來說圓周應(yīng)力的徑向位置是不同的，但圓周應(yīng)力的絕對值在實際上稍許高于這些數(shù)值(如32KSi相對于19KSi張力)。圖8和圖9明確表明，不管從圖4中選擇了哪一種熱膨脹系數(shù)數(shù)值，當熔融鋼水最初流過水口的內(nèi)徑時，氧化鋯水口殼體壁內(nèi)部的圓周應(yīng)力是極高的。因此，高的圓周應(yīng)力或軸向應(yīng)力是972℃(1800°F)處材料性能基本變化的強函數(shù)，不可能通過選擇一種具有特別高或特別低的熱膨脹系數(shù)的氧化鋯材料來避免。
圖10和圖11表示本發(fā)明的復(fù)合水口裝置50的兩種實施例，它們克服了上述與先有技術(shù)氧化鋯水口有關(guān)的應(yīng)力誘生的破裂問題。具體參考圖10，本發(fā)明的最佳實施例包括一個用氧化鋯或用MgO部分穩(wěn)定的氧化鋯制成的內(nèi)部水口殼體52，它具有比跟電磁閥25一起說明的氧化鋯水口殼體26明顯地更薄的壁。在其底部，這個內(nèi)部水口殼體52包括一個外接錐形底部區(qū)段56的水口出口54。在其頂部，這一同一殼體52包括一個外接錐形頂部區(qū)段60的水口入口58。殼體52的內(nèi)壁62形成一個基本上為圓筒形的熔融鋼水的流動路徑。殼本52的外壁64最好是粗糙的，其目的在稍后即可清楚。圖10中表示的復(fù)合水口裝置50的實施例還包括一個用一種陶瓷材料制成的外部水口殼體66，這種陶瓷材料最好具有比氧化鋯相對更好的抗張強度，而且它還不受圖4所示作為溫度函數(shù)的熱膨脹系數(shù)的同樣巨大變化的影響。構(gòu)成外部水口殼體66的陶瓷材料也應(yīng)當具有與氧化鋯相似的熱膨脹系數(shù)，以便把內(nèi)外水口殼體52、66間界面上的應(yīng)力減到最小。在目前的例子中，外部水口殼體66是用氮化硼制成的，雖然任何與上述判斷標準符合的陶瓷材料都可以使用。
外部水口殼體66包括一個內(nèi)壁68，其形狀與內(nèi)部水口殼體52的外壁64互補。最好是，當內(nèi)部水口殼體52被裝入外部水口殼體66的內(nèi)部時，在內(nèi)部水口殼體52的外壁64和外部水口殼體66的內(nèi)壁68之間安置一薄層耐熱膠泥。此外，外部水口殼體66的內(nèi)壁68應(yīng)當以象內(nèi)部水口殼體52的外壁64一樣的方式做成粗糙面。這個膠泥薄層與外壁64和內(nèi)壁68的兩個粗糙表面相結(jié)合，當通過水口裝置50的熔融鋼水流產(chǎn)生導(dǎo)致兩個殼體52和56的熱膨脹差異的熱梯度時，將兩個壁緊密地固定在一起。這種緊密的固定保證外部水口殼體66將對內(nèi)部水口殼體52提供消除應(yīng)力的壓力支承。一個環(huán)形空間72位于復(fù)合水口裝置50的頂部附近，是在錐形頂部區(qū)間60和外部水口殼體66的內(nèi)壁68之間產(chǎn)生的。這個空間72最好充滿同一種耐熱膠泥74，也就是以薄層形式存在于內(nèi)部水口52的外壁64和外部水口66的內(nèi)壁68之間的那種膠泥。
雖然內(nèi)部水口殼體52的相對厚度t可以是外部水口殼體66的壁的厚度T的任何比率直到100%，但是這個厚度t最好小于外部水口殼體66的厚度T的15%，這有兩個理由。第一，內(nèi)部水口殼體52的相對較薄的壁將這個殼體遭受劇烈梯度的時間減到最小，這個溫度梯度是當熔融鋼水最初注入通過水口裝置50時產(chǎn)生的。第二，既然制成外部水口殼體66的氮化硼的抗張強度顯著地大于制成內(nèi)部水口殼體52的氧化鋯的抗張強度，那末通過使外部水口殼體的厚度T盡可能大于內(nèi)部水口殼體52的壁的厚度t，水口裝置50的總抗張強度就得到增強。最好是，復(fù)合水口裝置50的總直徑大于常規(guī)水口殼體26的直徑。
在操作中，當熔融鋼水最初流過內(nèi)部水口殼體52的內(nèi)壁62時，構(gòu)成內(nèi)部殼體52的壁的氧化鋯都膨脹，不管構(gòu)成殼體52的具體類型的氧化鋯具有哪種特定的熱膨脹系數(shù)。這種熱膨脹導(dǎo)致內(nèi)部水口殼體沿徑向和軸向?qū)χ獠克跉んw66的內(nèi)壁68膨脹。由于在內(nèi)外水口殼體52和66的外壁64和內(nèi)壁68之間存在相互粗糙磨合的表面和一薄層膠泥，外部水口殼體66立即施加一個壓力負載，本申請人計算該負載的大小為沿徑向和軸向大約25KSi。施加這樣一個負載消除了內(nèi)部水口殼體52壁內(nèi)的張應(yīng)力，從而防止它破裂。
這些張應(yīng)力的消除應(yīng)當在所有情況下都能防止內(nèi)部水口殼體52的破裂。但是，即使它不能防止，氮化硼外部水口殼體66也會防止熔融鋼水從復(fù)合水口裝置50中逸出。因此，外部水口殼體66不僅對內(nèi)部水口殼體52沿徑向和軸向提供一個消除應(yīng)力的壓負載，而且還在萬一內(nèi)部殼體52破裂時在流過內(nèi)部水口殼體52的溶融鋼水和電磁閥的其余部分之間提供一個安全屏障。由外部水口殼體66提供的安全屏障有利地排除了對氧化鋁安全襯套35的需要，這轉(zhuǎn)過來又允許感應(yīng)線圈39的直徑可以做得小一些，從而減小了操作電磁閥25所需的功率。
在圖11所示的復(fù)合水口裝置50的另一個實施例中，提供了一個代替前面說明的陶瓷的外部水口殼體66的用耐熱纖維帶77制成的外部水口套76。在本發(fā)明的這另一個實施例中，纖維帶77在拉力下纏繞成螺旋形，使得它同時將徑向和軸向負載加到內(nèi)部水口殼體52上。而且，纖維帶77充分拉緊地圍繞內(nèi)部水口殼體52的外壁，使得獲得約25KSi的軸向和徑向負載。纖維帶77的合適材料包括玻璃纖維或礦物纖維織成的纖維帶，它的一個例子是NextrelR(商品名)，它可以從美國明尼蘇達洲圣保羅市的明尼蘇達采礦和制造公司買到。還有，該實施例的總直徑大約與電磁閥25內(nèi)用的常規(guī)水口殼體26的直徑相同。還有，外部水口套76提供一個屏障，阻止任何可能通過存在于內(nèi)部水口殼體52中的裂縫流動的熔融鋼水，這一事實使得可以免去這種電磁閥25中的氧化鋁安全襯套35，并可以使用具有直徑有利地縮小的螺旋形部分41的感應(yīng)線圈39。
權(quán)利要求
1.一種用于在電磁閥(25)中引導(dǎo)熔融金屬流的復(fù)合水口裝置(50)，其特征在于有一個內(nèi)部水口殼體(52)和一個加壓機構(gòu)(66，76)，該內(nèi)部水口殼體(52)用一種對流經(jīng)其間的熔融金屬流耐侵蝕的第一陶瓷材料制成，這種第一陶瓷材料具有在一定溫度之上降低的熱膨脹系數(shù)，使得上述內(nèi)部水口殼體在承受與最初通過上述水口裝置的熔融金屬流有關(guān)的熱沖擊時遇到其大小足以產(chǎn)生破裂的張應(yīng)力，而上述加壓機構(gòu)(66，76)用于將一個壓力負載施加到上述內(nèi)部水口殼體(52)上，以便將上述內(nèi)部張應(yīng)力降低到足以防止上述內(nèi)部破裂的水平。
2.一種如權(quán)利要求1所述的復(fù)合水口裝置(50)，其特征在于，上述陶瓷材料基本上由氧化鋯構(gòu)成。
3.一種如權(quán)利要求2所述的復(fù)合水口裝置(50)，其特征在于，上述陶瓷材料由MgO部分穩(wěn)定的氧化鋯構(gòu)成。
4.一種如權(quán)利要求1所述的復(fù)合水口裝置(50)，其特征在于，上述用于施加壓力的加壓機構(gòu)包括一個包容并緊密地嚙合上述內(nèi)部水口殼體的外部水口殼體(66)，它由一種具有比上述第一陶瓷材料更優(yōu)越的熱沖擊性能的第二陶瓷材料構(gòu)成，其熱膨脹系數(shù)與第一陶瓷材料大約相等，以便盡可能減小在達到熱穩(wěn)定狀態(tài)之后在上述內(nèi)外殼體(52，66)的界面上的應(yīng)力。
5.一種如權(quán)利要求4所述的復(fù)合水口裝置(50)，其特征在于，上述水口裝置(50)的截面是圓形的，而外部水口殼體(66)的厚度至少是內(nèi)部水口殼體(52)的厚度的兩倍。
6.一種如權(quán)利要求5所述的復(fù)合水口裝置(50)，其特征在于，內(nèi)部水口殼體(52)的厚度小于外部水口殼體(66)厚度的15%，這不僅增大了外部水口殼體(66)具有相對于內(nèi)部水口殼體(52)的抗張強度，而且減小了存在于內(nèi)部殼體(52)的內(nèi)外直徑之間的溫度梯度。
7.一種如權(quán)利要求5所述的復(fù)合水口裝置(50)，其特征在于，內(nèi)部水口殼體(52)基本上用氧化鋯制成，而外部水口殼體(66)基本上用氮化硼制成。
8.一種如權(quán)利要求1所述的復(fù)合水口裝置(50)，其特征在于，上述施加壓力的加壓機構(gòu)是一條圍繞內(nèi)部水口殼體(52)的外部拉緊地纏繞的耐熱材料柔性帶(77)。
9.一種如權(quán)利要求8所述的復(fù)合水口裝置(50)，其特征在于，上述耐熱材料柔性帶(77)是圍繞內(nèi)部水口殼體(52)的外部螺旋形地纏繞的，以便對上述水口殼體(52)施加一個圓周壓力和軸向壓力。
10.一種用于在電磁閥(25)中形成和控制加熱至約1522℃(2800°F)的熔融鋼水流的復(fù)合水口裝置(50)，其特征在于有一個水口殼體(52)和一個加壓機構(gòu)(66，76)，該水口殼體(52)用MgO部分穩(wěn)定的氧化鋯制成，其中上述殼體遭受張應(yīng)力，其大小足以在承受與流經(jīng)其間的最初的上述熔融鋼水有關(guān)的熱梯度時誘生破裂，而上述加壓機構(gòu)(66，76)用于將圓周壓力和軸向壓力負載施加到上述水口殼體(52)上，以便將上述張應(yīng)力減小到足以防止上述內(nèi)部破裂的水平。
11.一種如權(quán)利要求10所述的復(fù)合水口裝置(50)，其特征在于，由加壓機構(gòu)施加的負載大小能部分地或全部抵消在內(nèi)部水口殼體(52)中產(chǎn)生的熱張應(yīng)力。
全文摘要
在電磁閥(25)中引導(dǎo)鋼水用的復(fù)合水口裝置(50)，包括內(nèi)殼(52)和外殼(66)。內(nèi)殼用耐蝕陶瓷(如氧化鋯)制成。它在承受熔融金屬流產(chǎn)生的熱應(yīng)力時遭受大小足以促使破裂的內(nèi)部張應(yīng)力。外殼包容并緊密嚙合內(nèi)殼，在熔融金屬流最初流過內(nèi)殼時對它產(chǎn)生壓力，以抵消熱誘生張應(yīng)力并防止破裂。外殼最好用熱沖擊性能優(yōu)越而熱膨脹系數(shù)與內(nèi)殼相似的陶瓷(如氮化硼)制成，以便在達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后盡可能減小內(nèi)外殼體界面上的應(yīng)力。外殼厚度為內(nèi)殼的3至10倍。
文檔編號B22D41/50GK1071106SQ9211065
公開日1993年4月21日 申請日期1992年9月15日 優(yōu)先權(quán)日1991年9月16日
發(fā)明者米克羅斯C·澤林瓦里, 查里斯·比特·尼拉斯 申請人:西屋電氣公司