[发明专利]熔融金属滑动水口的抗裂纹阀板组件

说明书

发明背景

本发明总体涉及滑动水口上用于控制熔融金属流动的阀板，具体涉及在热应力下防止产生裂纹的阀板组件。

在炼钢和其它冶金过程中，滑动水口通常用来控制熔融金属的流动。这类水口包括了一个支承框架；一个带有孔眼的上固定阀板、其孔眼与中间包或钢包的水口对齐以便熔融金属流动；以及一个带有金属流动孔的节流板，它可在固定阀板下面滑动。在与连铸结晶器相配的滑动水口中，活动节流板的下面还有一个下固定阀板，这个固定阀板上同样也带有金属流动孔，并且该孔眼基本上与上固定阀板的孔眼对齐。熔融金属的流动速率取决于可滑动节流板和上固定板上孔眼的重合度。活动节流板通常比固定节流板长，以便能从其孔眼的前边和后边均可以调节熔融金属的流动，而且，可以通过使自己的孔眼与固定板的孔眼完全不重合来切断熔融金属的流动。通常，可以依靠液压连杆装置使节流板在固定板之间滑动操作。

这类滑动水口上的节流板和固定板均由耐热和耐腐蚀的耐火材料制成，如氧化铝、碳化铝、氧化锆。然而，不管这些耐火材料的耐热和耐腐蚀性如何，它们所承受的严重的热应力最终将导致不同程度的裂纹产生。例如在炼钢生产中，每个滑动水口上紧靠其流动孔眼的区域的温度大约是2900℃，而滑动水口外周边的温度仅仅是环境温度。由于每块阀板孔眼周围的区域以显著大于阀板平衡的速率膨胀，所形成的巨大温度梯度就产生了很大的机械应力。这些应力就形成了从阀板孔眼沿径向向外扩展的裂纹。如果不采取任何措施抑制这些裂纹的扩展，裂纹就会一直扩展到阀板的外周，最终导致阀板断裂。

为了防止这类裂纹的扩展以及由此导致的阀板断裂，现有技术中研制了各种夹紧机构。这些机构的作用是在阀板的周边施加足够大的压力，这样发源于孔眼的裂纹就不会向阀板的周边扩展。在一个这样的夹紧机构中，每个阀板的周边上都缠绕着一个钢箍。遗憾的是，申请人发现采用这种钢箍型夹紧机构至少有三个缺点。首先，由于制造箍带的钢材的导热性优于本来围绕在阀板周围的空气，使用钢箍实际上增加了阀板长度和宽度方向上的温度梯度，因而导致更多裂纹的产生。其次，当钢箍因邻近熔融金属而被加热后，钢箍膨胀的速度大于构成阀板之耐火材料的膨胀速度，而这降低了作用在阀板周边上用以减小裂纹扩展速度的压紧力。第三，如果阀板的角部不是圆形的，这种夹紧钢箍就会在阀板的角部作用局部机械应力，而这将在这些区域产生意想不到的裂纹。

为了克服这些和其它缺点，对夹紧系统进行了改进，它包括了一个带有螺纹操纵之楔形体的框架，该楔形体与阀板的角部啮合，而阀板的角部被切成与楔形体角度互补的角度。虽然这种框架楔形体型的夹紧机构明显优于仅在阀板周围采用钢箍的夹紧机构，发明者也进一步指出，这种设计至少存在两个缺点而妨碍了其完全延缓裂纹的可能。在这种设计的各种变型中，中请人意识到：不论孔眼沿阀板纵向中心线的位置如何，对应于阀板长度或宽度方向的每个被截削角部的角度是一样的。因此，在孔眼偏离阀板纵向中心线的阀板中(实际上包括了所有的阀板)，夹紧力不能均匀作用在发生裂纹最多的区域，即出现最大热应力的孔眼附近的区域。而且，即使孔眼位于阀板的中心，申请人业已发现在阀板被截削角部的角度方位上，并不能象想象的那样最佳地防止裂纹扩展。这种非最佳的结果源于裂纹的形成不是围绕孔眼沿360°均匀分布，不论固定阀板还是活动阀板，裂纹的分布都是沿阀板的纵向中心线偏置的。这种裂纹环绕阀板孔眼的非对称分布被认为是由于节流板沿固定阀板表面的纵向滑动造成的。先有技术的夹紧机构还存在另一缺点，即在某些场合下，它们相对于阀板纵向边的角度小于20°。除了提供不合适的夹紧力以闭合沿阀板横向轴线的裂纹外，由于夹紧楔形体对被截削角部作用巨大的压紧力，使用这种小角度时也会产生巨大的局部应力。这种局部应力可以在阀板角部区域产生裂纹和裂缝，这就直接背离了夹紧机构的整个目的。总的来说，这类阀板的最终缺点是缺乏对被截削角部的长度的优化，或者是对阀板的长度和宽度相对于孔眼直径的优化。虽然角部的长度必须具有最小的尺寸，以避免在阀板的这些区域产生不希望的局部机械应力集中，但是它们也不能做得太大。

显然，需要将阀板的角部截削成一定的角度，以使夹紧力恰当地作用在最容易产生裂纹的区域，以便最大程度地阻滞任何这种裂纹的延伸。理想地，阀板的角部应具有足够的长度以避免在角部产生所不希望的局部机械应力。

发明概述