ES2351075T3 - Cuerpo de tapón. - Google Patents

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Abstract

Cuerpo de tapón de material refractario y forma sustancialmente cilíndrica que presenta un primer extremo (10), un segundo extremo (14) y una zona intermedia (12) entre los mismos, con un orificio (16) de sección transversal sustancialmente circular, que se extiende desde dicho primer extremo (10) en una dirección axial del cuerpo de tapón al interior de dicha zona intermedia (12) hacia el segundo extremo (14), en el que dicho orificio está provisto de una sección transversal ampliada (en 16s) a lo largo de por lo menos parte de dicha zona intermedia (12).

Description

Esta invención se refiere a un cuerpo de tapón fabricado a partir de un material cerámico refractario. Dicho tapón se utiliza como parte de un mecanismo de válvula para controlar el flujo de metal fundido guiado a través de una boquilla dispuesta en el fondo de un reactor metalúrgico que contiene masa fundida de metal. Dicho reactor puede ser un caldero, una artesa de colada o similar.
El cuerpo de tapón se fabrica normalmente de una sola pieza, que entonces se denomina tapón monobloque. Con frecuencia, se fabrica en una prensa isostática para lograr un tiempo de servicio y resistencia mecánica alta suficientes.
El cuerpo de tapón, también denominado tapón a continuación en la presente memoria, presenta normalmente una forma sustancialmente cilíndrica, que comprende un primer extremo, que está en la posición montada del tapón en el extremo superior. Desde este primer extremo, se extiende un orificio en una dirección axial de dicho tapón hacia un segundo extremo, que corresponde en la posición montada del tapón al extremo inferior. Dicho extremo inferior se designa normalmente como la denominada parte de nariz y se caracteriza por un perfil redondeado o cónico. Una zona intermedia está dispuesta entre el primer y el segundo extremo del tapón.
A lo largo de la parte de orificio que se extiende a través del primer extremo, están dispuestos unos medios dispuestos para el acoplamiento del tapón al mecanismo de elevación, mediante los cuales puede elevarse el tapón verticalmente hacia arriba y hacia abajo desde una posición sentada (cierre) sobre la boquilla hasta una posición a una distancia de dicha boquilla para proporcionar la trayectoria para una corriente de masas fundidas de metal parcial o totalmente libre.
En el documento EP 1401599B1, se da a conocer un vástago de tapón del tipo mencionado anteriormente, caracterizado porque presenta una zona intermedia de diámetro exterior reducido en comparación con el primer y el segundo extremo de tapón para ahorrar material refractario.
Un objetivo de la invención es proporcionar una alternativa a dicho último tapón mencionado y en particular mejorar la resistencia mecánica de dicho tapón ya que se constató que el tapón conocido proporciona una resistencia mecánica insuficiente a lo largo de la zona intermedia de diámetro exterior reducido.
En diversas series de ensayos, se encontró que la resistencia mecánica de un
tapón puede mantenerse más o menos inalterada en comparación con un tapón convencional de forma cilíndrica con un espesor de pared constante entre el primer y el segundo extremo, aunque se use menos material refractario, cuando la sección de orificio que transcurre a través de la zona intermedia se diseña con una sección transversal de orificio ampliada en comparación con la sección de orificio dentro del primer extremo.
En otras palabras: el diámetro exterior del tapón según la invención sigue siendo sustancialmente constante y cilíndrico a lo largo de dicho primer extremo y dicha zona intermedia mientras que el segundo extremo se diseña convencionalmente, por ejemplo como una parte de nariz cónica.
Las expresiones “sustancialmente cilíndrico” y “más o menos constante” significan respectivamente que la forma corresponde a unos vástagos de tapón según la técnica anterior simplemente con tolerancias de fabricación del diámetro de tapón exterior e interior sólo en el intervalo comprendido entre el 1 y el 5%.
El orificio interior es la característica inventiva decisiva ya que comprende dos partes de orificio de sección transversal diferente.
Aunque la parte de orificio en el primer extremo, incluyendo los medios de fijación para el acoplamiento con el aparato de elevación, permanece más o menos inalterada con respecto a los tapones de la técnica anterior, la sección de orificio tras la primera sección de orificio en la dirección del segundo extremo de tapón (la parte de nariz) está provista ahora de una sección transversal mayor, es decir el diámetro interior del tapón a lo largo de por lo menos parte de la zona intermedia está aumentado en comparación con la sección anterior (a lo largo del primer extremo) y, por tanto, el espesor de pared a lo largo de dicha zona intermedia es menor (más delgado) que con tapones convencionales.
Esto ahorra material refractario, de manera similar al diseño según el documento EP 1401599B1 pero con la ventaja de que la resistencia mecánica del tapón inventivo en la región modificada (zona intermedia) y, en total, es característicamente superior a la del dispositivo de la técnica anterior. La resistencia mecánica incluye la resistencia transversal al eje longitudinal del tapón.
La resistencia mecánica mejora, ya que el diámetro exterior (sección transversal exterior) del tapón es más o menos constante a lo largo de dicha zona intermedia y más o menos idéntico al del primer extremo. No hay ninguna región cónica entre el primer extremo y la zona intermedia que debilite el tapón. La influencia del espesor de pared reducido de la zona intermedia tiene una importancia mucho menor para el comportamiento mecánico del tapón en total y sólo en el intervalo de un pequeño porcentaje tal como se mostrará a continuación en la presente memoria. El nuevo diseño de tapón resiste tensiones desarrolladas en dicha zona intermedia más altas que un tapón de la técnica anterior de la construcción mencionada. Dichas tensiones pueden derivarse, entre otras cosas, de un mecanismo de elevación debido a mala alineación axial que surge durante operaciones en servicio.
En su forma de realización más general, la invención se refiere a un cuerpo de tapón de material refractario y forma sustancialmente cilíndrica que presenta un primer extremo, un segundo extremo y una zona intermedia entre el primer y el segundo extremo, con un orificio de sección transversal sustancialmente circular, que se extiende desde dicho primer extremo en una dirección axial del cuerpo de tapón al interior de dicha zona intermedia hacia el segundo extremo, en la que dicho orificio está provisto de una sección transversal ampliada a lo largo de por lo menos parte de dicha zona intermedia.
La sección transversal ampliada del orificio puede ser por lo menos dos veces la sección transversal del orificio dentro de la primera parte. En caso de que la sección transversal del orificio dentro del primer extremo varíe, se hace referencia a la sección transversal del orificio dentro del primer extremo, en el que están dispuestos los medios de acoplamiento.
Según una forma de realización adicional de la invención, la sección transversal de la parte de orificio ampliada puede ser más de tres veces, más de cuatro veces o incluso más de cinco veces mayor que la sección transversal promedio del orificio dentro del primer extremo del tapón.
Tal como se mencionó, el orificio a lo largo de la zona intermedia es normalmente de sección transversal circular pero también puede ser ligeramente ovalado o puede presentar otro diseño. Lo mismo es cierto con respecto a la parte de orificio que se extiende a través de la primera parte.
La parte de orificio ampliada puede extenderse a lo largo del 10 al 90% de la longitud total del cuerpo de tapón, en el que la longitud total se define como la distancia entre los puntos más opuestos del tapón en su dirección longitudinal (axial).
Dado que el primer y el segundo extremo se extienden cada uno normalmente a lo largo de aproximadamente el 10 al 25% de la longitud total del tapón la parte de orificio ampliada estará con frecuencia en el intervalo comprendido entre el 30 y el 80% de la longitud total del tapón. Resulta obvio que cuanto más larga sea la parte de orificio ampliada menos material refractario será necesario y más se reducirán los costes. Lo mismo ocurre si se aumenta la sección transversal de la parte de orificio ampliada, es decir si se reduce adicionalmente el espesor de pared a lo largo de esta zona intermedia.
El canal de orificio ampliado termina normalmente en la parte frontal del segundo extremo inferior del tapón pero también puede extenderse ligeramente al interior de dicho segundo extremo (parte de nariz).
La región de transición entre las partes de orificio de sección transversal diferente debe diseñarse de manera suave para evitar cantos vivos, que reduzcan la resistencia mecánica del tapón.
El orificio puede continuar por lo menos en un canal dentro del segundo extremo de tapón, por lo menos un canal que sale a una superficie exterior del cuerpo de tapón en su segundo extremo, es decir la parte de nariz. El canal es de sección transversal característicamente reducida, incluso en comparación con la sección transversal del orificio que transcurre a través del primer extremo del tapón y sirve para el transporte de gas a través del orificio al interior de la masa fundida de metal. Aunque el orificio dentro del primer extremo puede presentar un diámetro comprendido entre 30 y 40 mm, la parte de orificio ampliada puede presentar un diámetro comprendido entre 50 y 100 mm y el canal un diámetro comprendido entre de aproximadamente 2 y 5 mm.
Se han realizado ensayos para comparar la resistencia mecánica de un tapón convencional S, un tapón P según el documento EP 1401599B1 y diversos tapones I según esta invención, cuyo diseño general se muestra esquemáticamente en la figura 2.
Todos los tapones presentaban las siguientes dimensiones:
-longitud total: 1250 mm
-longitud del primer extremo, incluyendo la región de unión: 300 mm
-longitud de la zona intermedia: 800 mm
-longitud del segundo extremo (parte de nariz): 150 mm
que son dimensiones típicas de un tapón.
Todos los tapones se produjeron mediante el mismo equipo, incluyendo una prensa isostática en las mismas condiciones, usando material refractario idéntico, concretamente un material de alúmina y grafito.
Los siguientes datos especifican adicionalmente el tapón sometido a ensayo:
Muestra
D (mm) d (mm) espesor de pared (mm) en la sección intermedia volumen refractario total (litros) diferencia (%) con el volumen refractario total del tapón S resistencia transversal * (Newton)
S
127 34 46,5 13,3 - 2001
P
106 34 36 10,2 23,1 1157
I1
127 88 19,5 9,2 31,1 1574
I2
135 88 23,5 10,5 21,2 1979
I3
140 88 26 11,3 14,7 2273
I4
140 100 20 9,9 25,4 1993
* El ensayo de resistencia transversal se estableció según la figura 2. Es un ensayo de flexión de 3 puntos con 2 elementos de soporte inferiores a una distancia de 700 mm uno de otro y una carga superior justo en el centro entre los dos elementos de soporte, es decir a una distancia de 350 mm de cada uno de ellos. Dichos elementos de soporte y carga superior se disponen sólo a lo largo de la sección de la zona intermedia que es de diámetro interior y exterior constante. Los detalles adicionales del procedimiento de ensayo y el aparato de ensayo no son decisivos ya que sólo se considerarán los datos comparativos.
Resultados: Aunque los tapones 12 a 14 según la invención necesitaron aproximadamente entre un 20 y un 25% menos de material refractario que el tapón convencional S su
5 resistencia sólo es un 1% inferior a la del “tapón de material completo” S. En comparación con el tapón P, el volumen refractario total es más o menos el mismo pero la resistencia transversal es casi el doble.
Al comparar los tapones I1 y S el nuevo diseño de tapón ahorra aproximadamente 1/3 de material refractario. Aunque el tapón I1 necesita menos material refractario que el 10 tapón P su resistencia transversal es aproximadamente un 30% superior.
La invención se describirá a continuación a título de ejemplo haciendo referencia a la figura 1 adjunta, que muestra esquemáticamente una vista en sección longitudinal del tapón I.
El tapón presenta un primer extremo 10 superior, seguido hacia abajo por una zona intermedia 12 y un segundo extremo 14 inferior, la denominada parte de nariz. El primer extremo 10, la zona intermedia 12 y la parte 14o adyacente del segundo extremo 14 presentan un diámetro D exterior, mientras que la parte inferior del segundo extremo 14 está diseñada de manera cónica como se conoce.
Un orificio 16 transcurre hacia abajo desde una superficie 10s plana superior del primer extremo 10 y se extiende a través de la zona intermedia 12 y ligeramente hacia el interior de la parte 14o del segundo extremo 14, seguido por un pequeño canal 18 que transcurre a través del segundo extremo 14 hacia abajo hasta su área 14d de superficie más inferior.
El orificio 16 comienza en la superficie 10s con un diámetro d1 interior y transcurre a través del primer extremo 10 con un diámetro d1 más o menos constante hasta que alcanza la zona intermedia 12, en la que el orificio 16 se ensancha suavemente en el interior de una sección 16s de orificio con un diámetro d2, que es 2,1 el diámetro d1. En el extremo más inferior de la sección 12 intermedia, la sección 16s de orificio está diseñada como un embudo y entra en el canal 18.
A una distancia de la superficie 10s superior está dispuesta una tuerca 20 a lo largo de la pared del orificio 16, actuando dicha tuerca a modo de medios de acoplamiento para un aparato de elevación (simbolizado por la flecha A) para mover el tapón hacia arriba y hacia abajo en una dirección vertical (flecha A) para ajustar su posición con respecto a la boquilla 30 correspondiente, mostrada esquemáticamente en la parte inferior de la figura.
El tapón se fabrica a partir de un material cerámico refractario basado en alúmina y grafito y se fabrica en una prensa isostática.
El canal 18 es una característica opcional. Por tanto, la parte 16s de orificio puede terminar a una distancia del extremo 18 inferior o dentro del extremo 18 inferior. Si el tapón está equipado con dicho canal 18 se usa principalmente no sólo para controlar el flujo de salida de una masa fundida de metal a lo largo de una boquilla correspondiente, sino también para introducir un gas de tratamiento en el interior de la masa fundida de metal.
A continuación, se alimenta dicho gas al interior del orificio del tapón en su primer extremo y abandona el tapón en la abertura de salida del canal 18, marcada como 18o en la figura.
En tal caso, podría ser necesario lograr un flujo de gas constante a lo largo de toda la longitud del canal/orificio del tapón. Para este fin y/o para cualquier otro fin útil, la invención incluye la posibilidad de llenar un material de propiedades termomecánicas diferentes (tales como permeabilidad a los gases, distribución de tamaño de poro, resistencia) en comparación con el material refractario del cuerpo de tapón tal como se
5 describió anteriormente, al interior de por lo menos parte del canal anular definido por la sección transversal de orificio según el primer extremo y la sección de orificio ampliada respectivamente. Este canal anular se marca con puntos en la figura.
El material de llenado puede introducirse al mismo tiempo que se introduce el material para el resto del tapón en la prensa, preferiblemente una prensa isostática. 10 Durante el llenado puede utilizarse una plantilla para separar los dos materiales, que se
retira antes de cerrar el molde y comenzar la acción de prensado.

Claims (10)

  1. Reivindicaciones
    1.
    Cuerpo de tapón de material refractario y forma sustancialmente cilíndrica que presenta un primer extremo (10), un segundo extremo (14) y una zona intermedia (12) entre los mismos, con un orificio (16) de sección transversal sustancialmente circular, que se extiende desde dicho primer extremo (10) en una dirección axial del cuerpo de tapón al interior de dicha zona intermedia (12) hacia el segundo extremo (14), en el que dicho orificio está provisto de una sección transversal ampliada (en 16s) a lo largo de por lo menos parte de dicha zona intermedia (12).
  2. 2.
    Cuerpo de tapón según la reivindicación 1, en el que la parte de orificio ampliada (16s) presenta una sección transversal que es por lo menos 2 veces la sección transversal de la primera parte de orificio (10).
  3. 3.
    Cuerpo de tapón según la reivindicación 1, en el que la parte de orificio ampliada (16s) presenta una sección transversal que es por lo menos 4 veces la sección transversal de la primera parte de orificio (10).
  4. 4.
    Cuerpo de tapón según la reivindicación 1, en el que la parte de orificio ampliada (16s) se extiende a lo largo del 10 al 90% de la longitud total del cuerpo de tapón.
  5. 5.
    Cuerpo de tapón según la reivindicación 1, en el que la parte de orificio ampliada (16s) se extiende a lo largo del 30 al 80% de la longitud total del cuerpo de tapón.
  6. 6.
    Cuerpo de tapón según la reivindicación 1, en el que la parte de orificio ampliada (16s) termina enfrente del segundo extremo (14) del cuerpo de tapón.
  7. 7.
    Cuerpo de tapón según la reivindicación 1, en el que se diseña de manera suave una región de transición del orificio (16) entre el primer extremo (10) y la zona intermedia (12).
  8. 8.
    Cuerpo de tapón según la reivindicación 1, en el que se diseña de manera suave una región de transición del orificio (16) entre el segundo extremo (14) y la zona intermedia (12).
    5 9. Cuerpo de tapón según la reivindicación 1, en el que la parte de orificio ampliada (16s) continúa por lo menos en un canal (18) que sale a una superficie exterior (14d) del cuerpo de tapón en su segundo extremo (14).
  9. 10. Cuerpo de tapón según la reivindicación 1, en el que están dispuestos unos
    10 medios de fijación (20) a lo largo de la primera parte de orificio (16) para fijar de manera separable el cuerpo de tapón a un mecanismo de elevación.
  10. 11. Cuerpo de tapón según la reivindicación 1, en el que por lo menos parte de la
    parte de orificio ampliada (16s) se llena con un material de propiedades termomecánicas 15 diferentes en comparación con el material del cuerpo de tapón, dejando libre un orificio
    (16) que transcurre axialmente con una sección transversal por lo menos correspondiente a la sección transversal del orificio (16) dentro del primer extremo (10).
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