Клапанная доска для золотникового клапана и золотниковый клапан с ее использованием

1 Настоящее изобретение имеет отношение к созданию клапанных досок для использования в золотниковых клапанах, применяемых для управления потоком расплавленного металла, а более конкретно к созданию клапанной доски,которая обладает стойкостью к растрескиванию,вызванному термомеханическими напряжениями. Золотниковые клапаны широко используют для управления потоком расплавленного металла при производстве стали и в других металлургических процессах. Такие клапаны обычно имеют опорную раму (несущую конструкцию), верхнюю стационарную клапанную доску, имеющую отверстие, совмещенное с разливочным желобом или стаканом сталеразливочного ковша для пропускания потока расплавленного металла, и дроссельную заслонку,также имеющую отверстие для протекания металла, которая выполнена с возможностью перемещения со скольжением под стационарной клапанной доской. В золотниковых клапанах,которые используют совместно с кристаллизаторами непрерывной разливки, предусмотрена нижняя стационарная клапанная доска под подвижной дроссельной заслонкой, которая аналогичным образом имеет отверстие для протекания металла, которое, главным образом, совмещено с отверстием верхней стационарной доски. Мощность потока расплавленного металла зависит от степени перекрытия отверстия выполненной с возможностью перемещения со скольжением дроссельной заслонки с отверстием верхней стационарной доски. Обычно подвижная дроссельная заслонка длиннее, чем стационарная дроссельная заслонка, для того, чтобы создать возможность регулирования потока расплавленного металла с передней и задней сторон ее собственного отверстия, а также для полного перекрытия потока при полном выводе этого отверстия из перекрытия с отверстиями стационарной доски. Обычно дроссельную заслонку перемещают со скольжением между стационарными досками (плитами) при помощи гидравлического привода. Дроссельная заслонка и стационарная доска установлены соответственно в нижнем пазу и в верхнем пазу, причем каждый из этих элементов имеет опорную поверхность контакта с поверхностью паза и поверхность взаимодействия с другим элементом,которая становится поверхностью скольжения или рабочей поверхностью. Как дроссельная заслонка, так и стационарные доски таких золотниковых клапанов изготовлены из термо - и эрозионно-стойких тугоплавких материалов, таких как оксид алюминия, соединение алюминия с углеродом и оксид циркония. Однако несмотря на термо- и эрозионную стойкость таких тугоплавких материалов, тяжелые термомеханические напряжения, которым они подвергаются, приводят, в конечном счете, к некоторой степени растрес 003203 2 кивания досок. Например, при производстве стали каждая клапанная доска испытывает воздействие температур около 1600 С в области,непосредственно охватывающей отверстие для протекания потока, в то время как внешние края этой доски работают при температуре окружающей среды. Результирующий высокий градиент температур создает высокие термомеханические напряжения, так как область каждой доски, непосредственно охватывающая ее отверстие для протекания потока, расширяется с существенно большей скоростью, чем остальная часть доски. Такие напряжения приводят к образованию трещин, идущих радиально наружу от отверстия в доске. Если не предпринимать мер для ограничения распространения таких трещин, то они будут удлиняться до внешних краев доски, что может привести к ее полному разрушению. Уже были предложены различные решения для предотвращения роста указанных трещин и возникающего в результате разрушения клапанных досок. Первая попытка связана с созданием улучшенных зажимных приспособлений. Задачей таких приспособлений является приложение достаточного давления вокруг периметра доски,так чтобы отходящие от отверстия трещины не распространялись к краям доски. Одно из таких приспособлений содержит раму с управляемыми винтом клиньями, которые захватывают углы доски, имеющие срез под углом, дополнительным к углу клиньев. Такая система раскрыта в документе DE-C2-3,522,134. Несмотря на то, что такие приспособления с рамой и зажимом клинового типа и представляют определенный прогресс, заявители обнаружили некоторые недостатки такой конструкции, препятствующие достижению полного потенциала торможения развития трещин. Обычно усилия зажима не являются однородно сфокусированными там,где образуются трещины, то есть в непосредственной близости от отверстия, где имеется наибольший уровень термомеханических напряжений. Более того, заявители обнаружили, что угловая ориентация усеченных углов таких досок не приводит к оптимальному предотвращению распространения трещин, как думали раньше. Такие неоптимальные результаты вытекают из того факта, что образование трещин не происходит равномерно в угле 360 вокруг отверстия,а сконцентрировано вдоль продольной осевой линии каждой клапанной доски, как стационарной, так и подвижной. Можно полагать, что такое асимметричное распределение трещин вокруг отверстий досок возникает в результате продольного скользящего действия (движения) дроссельной заслонки у лицевых сторон стационарных клапанных досок. В патенте США 5,626,164 раскрыта стойкая к образованию трещин клапанная доска,причем форма указанной доски выбрана таким образом, чтобы предотвратить образование и 3 распространение в ней трещин. Эта доска имеет ось и отверстие для протекания расплавленного металла, расположенное по этой оси, а также срезанные углы для фокусирования усилия зажима в направлении указанной оси в непосредственной близости от указанного отверстия,причем каждый усеченный угол является ортогональным к линии, идущей от точки касания с указанным отверстием, вдоль указанной оси и через пересечение линий, проведенных параллельно сходящимся кромкам доски, которые смещены от других кромок на расстояние, равное половине ширины указанного отверстия. В документе WO-A1-98/05451 раскрыт вариант такого решения, в котором углы между боковыми сторонами доски выбраны таким образом, чтобы увеличить срок службы доски. Задачей настоящего изобретения является оптимизация формы клапанной доски. Совершенно ясно, что нужна клапанная доска, форма которой позволяет оптимально фокусировать усилия зажима в наиболее подверженных образованию трещин областях доски, чтобы в максимальной степени затормозить распространение любой из таких трещин. В идеальном случае углы должны иметь длину,достаточную для предотвращения нежелательной локализации механических напряжений в углах доски. На фиг. 2 документа DE-A1-195 31 353 показана клапанная доска для золотникового клапана в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы настоящего изобретения. Кромки доски, которые не являются ближайшими к сливному отверстию, слегка наклонены относительно направления большей стороны прямоугольника. Было определено, что при такой ориентации кромок высокое растягивающее напряжение будет развиваться вокруг сливного отверстия и может приводить в процессе работы к возникновению трещин, выходящих радиально из отверстия в направлении сторон доски,параллельных к направлению большей стороны прямоугольника. Вообще говоря, задачей настоящего изобретения является создание блока стойкой к образованию трещин клапанной доски для использования в золотниковом клапане, который позволяет устранить или, по меньшей мере, ослабить недостатки известных ранее устройств и имеет характеристики, по меньшей мере, не уступающие характеристикам доски, описанной в патенте США 5,626,164. В связи с изложенным, настоящее изобретение имеет отношение к созданию жаростойкой клапанной доски для использования в золотниковом клапане, которая может быть описана удлиненным прямоугольником R, две стороны которого параллельны направлению его удлинения. Прямоугольник R имеет продольную ось, которую можно определить как ось его симметрии наибольшей длины, которая совпа 003203 4 дает с преимущественной траекторией скольжения доски. Однако следует иметь в виду, что эта концепция преимущественной траектории скольжения является внутренней характеристикой доски в соответствии с настоящим изобретением и что указанная доска может скользить в золотниковом клапане в направлении, которое не является оптимальным или предпочтительным. Доска имеет отверстие (сливное отверстие) для протекания расплавленного металла. Наиболее часто указанное отверстие является круглым, а в общем случае оно описано окружностью С, имеющей диаметр Ф. Указанное отверстие расположено со смещением от центра посредине между параллельными сторонами прямоугольника R. Из конструктивных соображений прямоугольник R разделен на 4 квадранта двумя перпендикулярными линиями, пересекающимися в центре круга С, одна из которых идет посредине между параллельными сторонами прямоугольника R. Каждый квадрант имеет пересекающиеся диагонали, а именно диагонали Dl, D3, D5 иD7, которые соединяют центр круга С с углами прямоугольника R, и диагонали D2, D4, D6 иD8, которые соединяют смежные пересечения перпендикулярных линий, пересекающихся в центре круга С, со сторонами прямоугольникаR. Сливное отверстие смещено вдоль продольной оси таким образом, что регулирование расхода (дросселирование) может быть осуществлено в более протяженной зоне. Сливное отверстие может быть также слегка смещено вдоль оси, перпендикулярной к продольной оси. Клапанная доска имеет идущие под углом кромки, образующие усеченные углы прямоугольника R, предназначенные для фокусирования усилий зажима в направлении области вокруг отверстия и в направлении зоны дросселирования, для того чтобы предотвратить образование и распространение в них трещин. В соответствии с настоящим изобретением, по меньшей мере, часть кромок выполнена следующим образом: кромки, наиболее удаленные от сливного отверстия (которые, таким образом, наиболее близки к зоне дросселирования), отклоняются максимум на 5 от направления диагоналей,которые не пересекают соответствующий угол; кромки, ближайшие к сливному отверстию(и, следовательно, наиболее удаленные от зоны дросселирования), отклоняются максимум на 5 от одного из следующих направлений:(ii) - направление другой диагонали соответствующего квадранта;(iii) - направление, промежуточное между направлениями (i) и (ii). Заявители в самом деле обнаружили, что такая форма доски позволяет оптимально фоку 5 сировать усилие зажима в двух различных зонах доски. С одной стороны, зона дросселирования подвергается сжатию, за счет чего исключается образование трещин в этой области, а с другой стороны, периметр сливного отверстия также подвергается сжатию, за счет чего исключается распространение трещин в радиальном направлении от сливного отверстия. Заявители обнаружили, что вновь спроектированная доска является чрезвычайно полезной. Прежде всего, на ней наблюдается намного меньше трещин. Во-вторых, если трещины все же возникают, они не распространяются до кромки доски, так что ингрессия воздуха заметно снижается. И, в-третьих, если использовать доску в соответствии с настоящим изобретением в комбинации с соответствующим зажимным приспособлением, трещины, если они вообще есть, возникают в приемлемой зоне, то есть они не возникают ни в зоне дросселирования, ни непосредственно в зоне между сливным отверстием и ближайшей к нему кромкой. Доска может быть симметричной относительно ее продольной оси, однако, в предпочтительном варианте доска не является симметричной относительно ее продольной оси. Благодаря такой асимметрии доска может быть установлена только в одном положении в верхнем пазу и только в одном положении в нижнем пазу, так что опорная поверхность доски становится ее скользящей или рабочей поверхностью, когда доска переходит из одного положения в другое,в том случае, когда желательна замена досок. Доска может иметь только 4 кромки, выполненные в соответствии с ранее изложенным,однако, во избежание появления острых углов она может иметь большее число кромок. В таком случае дополнительные кромки могут быть или не быть параллельными и/или перпендикулярными к продольной оси. Следует иметь в виду, что в соответствии с настоящим изобретением не обязательно требуется, чтобы доска была многоугольной. Наоборот, в том случае, когда используют зажимную ленту, обвязанную вокруг доски, то такая зажимная лента может приводить к локализации механических напряжений (которые могут приводить к образованию трещин) в вершине, образованной смежными кромками. Поэтому желательно, чтобы углы были закругленными. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения только часть кромок должна удовлетворять такому определению, а другие кромки преимущественно содержат кривые линии, соединяющие указанные участки кромок, а еще лучше, переходные радиусы указанных кромок. На фиг. 1 и 2 показан вид сверху клапанных досок в соответствии с настоящим изобретением, причем на чертежах использованы одинаковые позиционные обозначения для аналогичных элементов. На фиг. 1 показана клапан 003203 6 ная доска 1 для использования в золотниковых клапанах для управления потоком расплавленной стали или другого металла, протекающего из разливочного желоба в литейную форму(кристаллизатор) или из разливочного ковша в разливочный желоб. Доска 1 имеет отверстие 3 для разливки потока расплавленного металла. Указанное сливное отверстие 3 ограничено окружностью С с центром 4. На фиг. 1 показана доска с некруглым сливным отверстием, а на фиг. 2 показана доска с круглым сливным отверстием 3, ограниченным окружностью С. На фиг. 1 и 2 показан прямоугольник R,который ограничивает доску 1, причем его самые длинные стороны идут параллельно траектории скольжения доски в золотниковом клапане. Из конструктивных соображений необходимо провести две перпендикулярные линии 5 и 6,которые пересекаются в центре 4 окружности С и которые параллельны короткой и длинной сторонам прямоугольника R. Эти линии разграничивают 4 квадранта прямоугольника R. Каждый квадрант имеет пересекающиеся диагонали,D1, D3, D5 и D7, которые соединяют центр 4 окружности С с четырьмя углами (7, 8, 9, 10) прямоугольника R, и D2, D4, D6 и D8, которые соединяют смежные пересечения (11, 12, 13, 14) линий 5 и 6 со сторонами прямоугольника R. В соответствии с настоящим изобретением кромки доски специально выполнены таким образом, чтобы фокусировать усилия зажима в зоне дросселирования, для чего кромки 15 и 16,которые наиболее удалены от сливного отверстия 3 и, следовательно, наиболее близки к зоне дросселирования, имеют, по меньшей мере,один участок (к которому будет приложено усилие зажима), который является параллельным диагонали D2 или D4 квадранта, который содержит указанную кромку. Как на фиг. 1, так и на фиг. 2, по меньшей мере, один участок кромки 15 является параллельным диагонали D2 и, по меньшей мере,один участок кромки 16 является параллельным диагонали D4. На фиг. 1 кромки 15 и 16 целиком являются параллельными диагоналям D2 иD4, в то время как на фиг. 2 только один участок кромок 15 и 16 является параллельным диагоналям D2 и D4. Кромки доски, которые специально выполнены таким образом, чтобы фокусировать усилия зажима вокруг сливного отверстия, а именно кромки 17 и 18, которые наиболее близки к сливному отверстию 3, могут идти перпендикулярно к диагоналям D5 или D7 квадранта,который содержит эти кромки, или, другими словами, параллельно направлению 19 или 20,которое является перпендикулярным к диагоналям D5 или D7. Этот вариант использован на обеих кромках 17 и 18 на фиг. 2, которые соответственно перпендикулярны диагоналям D5 или D7. 7 Альтернативно указанные кромки 17 и 18 могут идти параллельно диагоналям D6 или D8 квадранта, который содержит эти кромки, как это показано для кромок 17 и 18 на фиг. 1, которые параллельны диагоналям D6 или D8. В другом варианте кромки 17 и 18 могут быть ориентированы в направлении, идущем между двумя ранее указанными направлениями. Кромки 15, 16, 17 и 18 могут контактировать друг с другом и образовывать таким образом четырехугольную доску (плиту) 1, ограниченную соединенными диагоналями D2, D4, D6 и D8. Очевидно, что во избежание механических напряжений желательно не иметь таких заостренных углов. Поэтому кромки 15, 16, 17 и 18 преимущественно не имеют прямого контакта. Они могут быть разделены прямыми линиями, преимущественно параллельными сторонам прямоугольника, как это показано на фиг. 1, а еще лучше, если они разделены переходными кривыми. На фиг. 2 кромки 15 и 16, а также кромки 17 и 18 соединены переходными радиусами 21 и 22. В соответствии с настоящим изобретением основным параметром является ориентация кромок 15, 16, 17 и 18, которая определяет, как они фокусируют усилия зажима, чтобы избежать образования трещин. Положение кромок относительно сливного отверстия 3, то есть положение кромок 15, 16, 17 и 18 вдоль соответствующих диагоналей D1, D3, D5 и D7, является менее важным для решения указанной задачи. Однако кромки 15, 16, 17 и 18 преимущественно должны быть не слишком длинными, чтобы избежать появления механических напряжений,вызванных заостренными углами, и не слишком короткими, чтобы эффективно фокусировать усилия зажима, где они необходимы. Поэтому кромки, которые являются ближайшими к зоне дросселирования, то есть кромки 15 и 16 (или их проекции) преимущественно должны пересекать короткую сторону прямоугольника R в области, которая заключена соответственно между 1/8 и 3/8 и между 5/8 и 7/8 длины короткой стороны прямоугольника R. Это требование является менее важным с другой стороны доски (то есть со стороны, где кромки наиболее близки к сливному отверстию), так что кромки 17 и 18 (или их проекции) преимущественно должны пересекать короткую сторону прямоугольника R в области, которая заключена соответственно между 1/10 и 9/10 длины короткой стороны прямоугольника R. Для определения того факта, спроектирована ли доска в соответствии с настоящим изобретением или нет, необходимо построить прямоугольник R, ограничивающий доску. Если доска имеет неправильную форму (что обычно имеет место), то тогда бесконечное число прямоугольников может ограничивать указанную доску. Однако только один прямоугольник R,который ограничивает доску, имеет кромки, 003203 8 параллельные преимущественным траекториям доски. Указанные преимущественные траектории доски могут быть найдены очень просто. В самом деле, в соответствии с ранее определенными правилами конструирования доски известно, что на наиболее удаленной от сливного отверстия стороне, по меньшей мере, один участок кромки 15, 16 доски 1 должен быть параллелен диагонали D2 или D4 квадранта прямоугольника R. Следовательно, если продолжить эти участки кромок до их пересечения, то получим сектор с вершиной, которая является точкой пересечения продолжений кромок 15 и 16. Этот сектор аналогичен сектору, ограниченному диагоналями D2 и D4, пересекающимися в вершине 11. С другой стороны, существует, по меньшей мере, одна (а часто бесконечное число) пара параллельных линий (Е 1, Е 2), одна из которых (Е 1) проходит через центр 4 круга С, ограничивающего сливное отверстие 3, а другая (Е 2) является касательной к кромке доски, которая удалена от сливного отверстия 3. Для каждой пары параллельных линий (E1, E2) существует только одна линия (Е 3), которая идет перпендикулярно к обеим параллельным линиям E1 и Е 2 и проходит через центр 4 круга С, ограничивающего сливное отверстие 3. Наконец, только одна из комбинаций указанных линий (Е 1, Е 2, Е 3), такая как Е 1 и Е 3,совпадает с перпендикулярными линиями 5 и 6,используемыми для проектирования доски. Следовательно, если вершину определенного здесь ранее сектора перенести (за счет параллельного перемещения) на пересечение перпендикулярных линий Е 2 и Е 3, то существует только одна возможная ориентация указанных линий (Е 2 и Е 3), при которой линии, образующие указанный сектор, совпадают с диагоналями D2 и D4, таким образом, что пересечение линий Е 2 и Е 3 совпадает с вершиной 11. В соответствии с указанными ранее правилами проектирования пересечение диагоналей D2 и D4 с линией Е 1(которая совпадает с линией 5) должно находиться у границы доски или вне доски, но никогда на самой доске. После нахождения такой ориентации легко построить прямоугольник R,который имеет боковые стороны, параллельные линиям 5 и 6 (или Е 1 и Е 2). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Клапанная доска (1) для золотникового клапана, имеющая форму удлиненного прямоугольника R, две стороны которого параллельны направлению его удлинения, имеющая сливное отверстие (3), расположенное со смещением от центра посредине между параллельными сторонами прямоугольника R и ограниченное окружностью С с центром (4), причем прямоугольник R разделен на 4 квадранта двумя перпендикулярными линиями (5, 6), пересекающи 9 мися в центре (4) круга С, одна (6) из которых идет посредине между параллельными сторонами прямоугольника R, при этом каждый квадрант имеет пересекающиеся диагонали: D1, D2;D3, D4; D5, D6 и D7, D8 соответственно, причем углы (7-10) прямоугольника R срезаны и заменены наклонными кромками (15-18), при этом направление, по меньшей мере, одного участка указанных кромок (15, 16), которые наиболее удалены от сливного отверстия (3), отклоняется максимум на 5 от направления диагонали, которая не пересекает соответствующий угол, отличающаяся тем, что направление, по меньшей мере, одного участка кромок (17, 18), которые наиболее близки к сливному отверстию (3), отклоняется максимум на 5 от одного из следующих направлений:(ii) - направление другой диагонали соответствующего квадранта;(iii) - направление, промежуточное между направлениями (i) и (ii). 2. Клапанная доска по п.1, отличающаяся тем, что кромки 15 и 16 или их проекция пересекаются с короткой стороной прямоугольникаR в областях, заключенных соответственно между 1/8 и 3/8 и между 5/8 и 7/8 длины указанной короткой стороны прямоугольника R. 3. Клапанная доска по одному из пп.1-2,отличающаяся тем, что кромки 17 и 18 или их проекции пересекаются с короткой боковой стороной прямоугольника R в области, заключенной между 1/10 и 9/10 длины указанной короткой стороны прямоугольника R. 4. Клапанная доска по одному из пп.1-3,отличающаяся тем, что кромки 15 и 16 соединены при помощи переходных кривых, преимущественно при помощи переходных радиусов. 5 Клапанная доска по одному из пп.1-4,отличающаяся тем, что кромки 17 и 18 соединены при помощи переходных кривых преимущественно при помощи переходных радиусов. 6. Клапанная доска по п.1, отличающаяся тем, что она является симметричной относительно середины между параллельными сторонами прямоугольника R. 7. Золотниковый клапан, отличающийся тем, что он включает в себя клапанную доску по одному из пп.1-6.