本发明涉及冶金设备。具体地说，本发明涉及一种自锁式内管口，当安装在冶金容器的出口中时，自锁式内管口能够至少在密封材料前体凝固成硬质密封件以将内管口密封并固定于其操作位置所需的时间期间维持其操作位置，而无需操作员或机器人在密封材料前体正在凝固时将其保持在适当位置。
背景技术：
在金属成型工艺中，熔融金属(1)从一个冶金容器(200l、200t)转移到另一冶金容器、转移到模具(300)或工具。例如，如图1所示，用从熔炉(未示出)中流出的熔融金属填充钢包(200l)，并且熔融金属通过钢包长水口(111)转移到中间包(200t)中进行浇铸。接着，熔融金属可通过浇注管口(101)从中间包浇铸到模具(300)，以形成板坯、坯料、梁或铸锭。熔融金属离开冶金容器的流动通过位于所述容器底部的管口系统(101、111)由重力驱动。流动速率可通过闸门来控制。
明确地说，钢包(200l)的底板的内表面设置有包括内孔的内管口(10)。所述内管口的出口端耦接到闸门，通常是滑动板闸门或旋转板闸门，从而控制熔融金属流出钢包的流动速率。在这样的闸门中，设置有孔的固定板固定到钢包底板的外表面，其中孔定位成与内管口的孔对齐。同样设置有孔的移动板可移动，以使孔与固定板的孔对齐或不对齐，从而控制熔融金属流出钢包的流动速率。为了保护熔融金属在从钢包流入中间包(200t)时不被氧化，钢包长水口(111)与集液管口的出口端流体连通并且深入中间包中，低于熔融金属的液位以在钢包内的内管口的入口端直到浸入中间包中所含的液态金属的钢包长水口的出口之间形成防止与氧气的任何接触的连续熔融金属流动路径。钢包长水口简单地是包括长管状部分的管口，所述长管状部分由于具有中心孔的上游耦接部分而成冠状。短集液管口(100)对着钢包长水口插入并且密封钢包长水口，所述短集液管口耦接到钢包底板的外表面并且从其突出，并且通过闸门与内管口(10)隔开。jph09201657描述了通过使用旋转卡口或螺钉接合装置和机器人将钢包长水口自动附接到与钢包耦接的集液管口或从所述集液管口自动拆下的示例。
类似地，中间包(200t)的底板的出口也设置有内管口(10)，其相当类似于上文关于钢包所描述的内管口。所述内管口的下游表面可直接耦接到浇注管口(101)，或可选地耦接到管道切换装置。为了保护熔融金属在从钢包流入模具(300)时不被氧化，浇注管口(101)深入模具中，低于熔融金属的液位以在中间包内的内管口的上游表面直到浸没在流入模具中的液态金属的浇注管口的出口之间形成防止与氧气的任何接触的连续熔融金属流动路径。浇注管口是包括长管状部分的管口，所述长管状部分由于具有中心孔的上游耦接部分而成冠状。短集液管口(100)可对着浇注管口插入并且密封浇注管口，所述短集液管口耦接到中间包底板的外表面并且从其突出。对于连续浇铸操作，通常借助于止挡件(7)或闸门与止挡件的组合来控制流体流出中间包的流动速率。如上所述的滑动闸门或旋转闸门也可用于浇铸单独的铸锭。
在实践中，钢包操作就绪，包含构建耐火内衬，将闸门固定到钢包的底部，定位内管口、耐火板和集液管口。当操作就绪时，将钢包驱动到熔炉，在那里用新批次的熔融金属填充钢包，此时闸门处于关闭配置。接着使其进入中间包(200t)上方的浇铸位置，在那里钢包长水口在浇铸配置中耦接到集液管口，使得集液管口(100)的出口端紧贴地嵌套在钢包长水口的孔入口中以形成密封接头(参见图1(b))。钢包长水口可通过机器人或例如wo2015124567中所述的本领域已知的任何其它手段维持其浇铸配置。闸门打开，并且熔融金属可通过内管口、闸门、集液管口和钢包长水口流出钢包并进入中间包。当钢包是空的时，关闭闸门并且取回钢包长水口以允许移除空钢包并且由填充有新批次熔融金属的第二钢包进行更换。首先检查钢包和闸门耐火材料的缺陷。接着，将钢包送回熔炉以重新填充熔融金属或送至维修点，在那里一个或多个耐火部件(例如，板、集液管口和内管口)在需要时被更换。
在通过钢包进行多次浇注循环后，钢包和中间包的各种部件可能磨损或断裂，并且必须更换。这包含内管口。以规则间隔或在检测到耐火部件的磨损之后，在中间包填充操作完成之后将钢包分开并且在将钢包驱动回熔炉之前将钢包重新拼合。这包含修理钢包的耐火内衬(200r)、更换内管口和/或安装新闸门。由于在完整的浇铸过程期间中间包保持充满着熔融金属，因此中间包不能像钢包那样经常地重新拼合。
内管口(10)通常基本上水平地插入冶金容器(200)的出口中，所述冶金容器位于内管口的侧部。内管口通过相当厚的密封材料前体层密封到出口，密封材料前体通常是湿水泥，施加在出口与内管口之间的间隙中，并且当密封材料前体凝固以形成硬质密封件时，将内管口固定在其操作位置。当密封材料凝固时，内管口必须由操作员或机器人保持在适当位置，以确保其维持其位置。如果操作员将内管口插入并且保持在适当位置，则内管口可能会移动到对准位置之外，从而在浇铸期间可能存在发生泄漏的风险。在密封材料的整个凝固时间期间，操作员或机器人不能执行任何其它任务。
us5335896提出使用锁环段。管口段将内管口锁定到位。锁环段包含用于将锁环段可移除地附接在钢包安装板的排放孔内的紧固装置。内管口和锁环段包含配合的锥形表面以提供滑动平面，用于从两件式管口插入件的砂浆接缝之间挤压和挤出粘合材料。
本发明提出一种自锁式内管口，其允许在没有任何操作员或机器人的情况下至少在密封材料前体凝固以形成硬质密封件并且将内管口紧固在其操作位置所需的时间内将内管口锁定在适当位置。本发明的这些和其它优点将在下文中进一步详细地呈现。
技术实现要素：
明确地说，本发明涉及一种用于将处于操作位置的内管口锁定在冶金容器的出口处长达足以使密封材料凝固的时间的自锁式内管口系统，所述自锁式内管口系统包括：
(a)内管口，其包括：
上游表面和下游表面，其通过具有管口高度h的侧表面彼此接合，并且包括沿纵向轴线z从所述上游表面延伸到所述下游表面的孔，
n个突出部，其中n≥2，其围绕所述侧表面的周缘分布，每个突出部包括彼此分开所述突出部的厚度t的下游面和上游面，所述突出部具有正交于所述纵向轴线z测得的方位宽度w，
(b)上部框架，其适于刚性地固定在冶金容器的底表面，
(c)锁定环，其刚性地固定到所述上部框架并且沿所述纵向轴线z从上游边缘延伸到下游边缘，并且限定由接合所述上游边缘与所述下游边缘的内表面限定的开口，
其中，所述锁定环的所述内表面设置有n个l形通道，每个l形通道具有：
(a)第一通道部分，其沿所述纵向轴线z从所述下游边缘延伸到所述第一通道部分的第一通道端部，并且具有宽度w1，所述宽度w1大于所述突出部的宽度w，从而允许沿所述内管口的所述纵向轴线z平移通过所述锁定环的所述开口，其中所述上游表面首先接合在所述锁定环的下游边缘侧，其中所述突出部接合在对应的第一通道部分中，直到所述突出部抵靠对应的第一通道端部，此时防止所述内管口沿所述纵向轴线z进一步平移，以及
(b)第二通道部分(33)，其从所述第一通道端部横向于所述纵向轴线z延伸并且具有宽度w2，所述宽度w2大于所述突出部的厚度t，从而通过围绕所述纵向轴线z将所述内管口旋转到锁定位置而允许所述突出部接合到对应的第二通道部分，在所述锁定位置，通过接合在所述第二通道部分中的所述突出部防止所述内管口被拉出所述锁定环。
n＝3或4是优选的。在所有情况下，优选n个突出部均匀地分布在侧表面的周缘周围。所述内管口的所述侧表面优选地包括旋转把手，包含凸耳或凹槽，所述凸耳或凹槽的位置邻近于所述内管口的所述下游表面并且当所述内管口插入所述锁定环中时允许插入用于使所述内管口围绕所述纵向轴线z旋转并且将所述内管口沿所述纵向轴线z从所述锁定环拉出的工具。所述旋转把手可由金属制成，并且可属于包覆所述内管口的所述侧表面的至少一部分的金属罐封材料。
所述突出部优选地由脆性或可延展的材料制成，并且所述突出部的尺寸使得在将所述内管口从操作位置移除时，通过施加优选地不大于400n的力就可使所述突出部挠曲地变形或断裂。例如，所述突出部可由金属制成并且可属于包覆所述内管口的所述侧表面的至少一部分的金属罐封材料，和/或优选地正交于所述纵向轴线z从所述侧表面的整个周边突出并且属于围绕所述侧表面的整个周边的凸缘。
所述突出部优选地位于沿所述纵向轴线z测量的距所述下游表面的距离d处，所述距离d不大于管口高度h的30％，优选地不大于管口高度h的20％。
在优选实施例中，所述第二通道部分包括位于所述锁定环的所述下游边缘侧部上的侧边缘，所述侧边缘以一定角度形成螺纹，使得所述内管口朝向所述锁定位置的旋转使所述内管口更深地平移通过所述锁定环。
根据本发明的自锁式内管口系统可安装在冶金容器的底表面处，所述冶金容器选自钢包、熔炉或中间包。其优选地耦接到固定到所述冶金容器的所述底表面的机构，例如闸门。
本发明还涉及一种用于将处于操作位置的内管口固定到冶金容器的出口的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供如上所述的自锁式内管口系统，
(b)将密封材料前体施加到所述冶金容器的所述出口中和/或所述内管口的侧表面上，
(c)首先从下游边缘使所述内管口通过锁定环开口与上游表面接合，并且沿纵向轴线z驱动所述内管口使之穿过锁定环，其中在n个突出部接合在对应的第一通道部分中，直到所述突出部抵靠第一通道端部为止，
(d)使所述内管口围绕所述纵向轴线z旋转，从而使所述突出部接合到第二通道部分(33)中，直到所述内管口自锁到其操作位置并且不能沿所述纵向轴线z移动为止，
(e)允许密封材料前体转变成硬质密封件(2)以将如此自锁的内管口密封并锁固在其操作位置，而无需通过任何外部装置将其保持在适当位置。
步骤(c)和/或(d)可由机器人容易地执行。
本发明还涉及一种用于从冶金容器的出口取回如上所限定的内管口的方法，所述内管口先前通过如上所述的方法固定在其操作位置，所述方法包括以下步骤：用工具夹紧所述内管口的表面，以及下列任一者：
(a)以一定力沿纵向轴线z拔出所述内管口，其中所述突出部由如上所述的脆性或可延展材料制成，所述力一方面足以破坏所述内管口与所述硬质密封件之间形成的密封结合，另一方面足以使所述突出部断裂或变形以允许所述内管口通过所述锁定环的开口，或者
(b)以一定力使所述内管口围绕所述纵向轴线z旋转，所述力足以破坏在所述内管口与所述硬质密封件之间形成的密封结合，直到所述突出部面向对应的第一通道部分，并且接着沿所述纵向轴线z拔出所述内管口，其中所述内管口优选是两件式内管口。
所述内管口优选地包括如上所述的旋转把手。因此，由工具夹紧的内管口的表面优选地属于所述内管口的旋转把手。如上所述取回内管口可由机器人执行。
附图说明
为了更全面地理解本发明的本质，参考以下结合附图的详细描述，在附图中：
图1表示用于浇铸金属的浇铸设备的总体图。
图2示出了根据本发明的自锁式内管口的实施例。
图3示出了配接根据本发明的自锁式内管口的锁定环。
图4图示根据本发明的将内管口锁定到框架的原理，所述框架设置有固定到冶金容器的底部的锁定环。
图5示出了双板式滑动闸门，其包括根据本发明的自锁式内管口，(a)为处于关闭位置，并且(b)为处于打开位置。
图6示出了三板式滑动闸门，其包括根据本发明的自锁式内管口，(a)为处于关闭位置，并且(b)为处于打开位置。
具体实施方式
图1示出了典型冶金设备，其包括用熔融金属向中间包(200t)供料的钢包(200l)。中间包与用于形成板坯、坯料、梁或铸锭的模具(300)流体连通。钢包和中间包两者皆包括内管口(10)，用于引导熔融金属离开对应冶金容器的流动。第一次安装时并且随后随着耐火部件的磨损而以规则间隔，内管口必须通过硬质密封件(2)在其操作位置固定在其在冶金容器的出口内。硬质密封件可是水泥，并且通过以屈服状态施加密封材料前体而形成，所述密封材料前体通常为粘性液体或糊状的并且允许凝固以形成硬质密封件(2)。只要密封材料没有充分凝固，内管口就必须由操作员或机器人(211)保持在其操作位置。只有在密封材料足够硬以将内管口锁固在其操作位置之后，操作员或机器人才能放开内管口。这可能花费10分钟或更长时间，这是对工作时间的浪费。术语“硬质密封件”在本文中是指通过密封材料前体的化学或物理反应形成的密封件。当硬质密封件的强度足以将内管口稳固地保持在冶金容器的出口内，本领域普通技术人员可认为硬质密封件已形成。
本发明的自锁式内管口系统适于至少在于内管口与出口之间施加的密封材料前体凝固并且形成适于使内管口密封并固定于其操作位置所需的时间内将处于操作位置的内管口(10)锁定在钢包或中间包的出口处，而无需例如操作员或机器人的任何外部装置在密封材料前体凝固期间将内管口保持在适当位置。本发明的自锁式内管口系统包括以下部件：
(a)内管口(10)，
(b)上部框架(30f)，其适于刚性地固定到冶金容器的底表面，
(c)锁定环(31)，其刚性地固定到所述框架。
内管口(10)具有的几何形状使得其可与锁定环(31)相互作用以不借助任何外部装置地锁定在适当位置。在一个实施例中，内管口的自锁只需要是临时的，只需要在密封材料凝固并且形成硬密封件(2)的时间内自锁，并且只需要支撑内管口自重，因为没有外力应在密封材料凝固期间施加到内管口上。
(a)内管口(10)
适用于本发明的系统的内管口的实施例在图2中图示。所述内管口包括通过具有管口高度h的侧表面(10l)彼此接合的上游表面(10u)与下游表面(10d)。所述内管口包括沿纵向轴线z从上游表面延伸到下游表面的孔(10b)。本发明的内管口还包括围绕侧表面的周缘分布的n个突出部(11)，其中n≥2。每个突出部包括面向下游表面(10d)的下游面(11d)和面向上游表面(10u)的上游面(11u)。下游面(11d)与上游面(11u)彼此隔开突出部的厚度t。所述突出部具有正交于纵向轴线z测量的方位宽度w。
在本文中，术语“下游”和“上游”是相对于当内管口处于其操作位置时熔融金属的流动而定义的。在图2(a)、(b)和(d)中，上游指示朝向所示内管口的顶部，并且下游指示朝向所示内管口的底部。“方位宽度”是指包含在内管道的纵向轴线z为中心的角度θ的角部分内并跨过突出部(11)的圆弧的长度(参见图2(c))。
所述内管口可包括整块的耐火材料，其被称为单件式内管口，如图2(a)和(b)中所示。或者，内管口可包括两个部分，即具有高度hy的上游部分(10y)和具有高度hz的下游部分(10z)，其被称为两件式内管口，如图2(d)所示。在使用中，两件式内管口的上游部分(10y)与下游部分(10z)通过密封材料(2)结合在一起，以形成具有高度h的完整的两件式内管口，其中
如图2(c)所示，优选内管口包括围绕侧表面(10l)的周缘均匀分布的n＝3或4个突出部(11)。在将内管口锁定在其操作位置时，更大数目的n个突出部将不会增加任何特别的优点，并且如果拆卸需要所述突出部的变形或断裂，则可能使得用过的内管口的移除更加困难，如将在下文中进一步解释的。n＝3个突出部是特别优选的，因为其确保了内管口在锁定环(31)中的稳定定位，如下文中所论述。n＝2个突出部也是可能的，但内管口可能不如n＝3个突出部那样牢固地锁定在锁定环中。
围绕侧表面(10l)的周缘分布的突出部(11)的下游面(11d)优选地在正交于纵向轴线z的公共平面上对准。公共平面优选地较之于内管口(10)的上游表面(11u)更靠近下游表面(11d)。对于如图2(a)和(b)所示的单件式内管口，公共平面优选地位于距内管口的下游表面的距离d处，所述距离d不大于内管口的高度h的30％(d≤0.3h)，优选不大于高度h的20％(d≤0.2h)。如图2(d)所示，两件式内管口在被组装时也是如此。相对于两件式内管口(10)的下游部分(10z)的高度hz，公共平面优选地位于距内管口的下游表面的距离d处，所述距离d不大于高度hz的60％(d≤0.6hz)，优选地不大于高度hz的30％(d≤0.3hz)。单件式和两件式内管口中的共同平面可位于距下游表面(10d)不大于250mm的距离d(d≤250mm)处，优选地不大于150mm，更优选地不大于100mm。
在优选实施例中，突出部(11)由脆性或可延展的材料制成，并且突出部的尺寸使得突出部足够坚固以支撑内管口自身重量，同时可由于弯曲而变形或在将内管口从操作位置移除时断裂，优选地通过人力来实现。例如，通过在内管口自重之上再施加不大于400n，优选地在内管口自重之上再施加不大于200n或不大于150n或甚至不大于100n的力，可使突出部断裂或弯曲。突出部对弯曲或断裂的耐受性优选地高于内管口自重，更优选地比内管口自重高至少50n。如果使用机器人，则可施加更大的力来使突出部弯曲或断裂。突出部不将内管口固定，而是仅在密封材料前体凝固成硬质密封件(2)所需的时间内将内管口锁定在适当位置，所述硬质密封件将内管口密封并且固定在其操作位置。因此，不需要将突出部的尺寸设计为使之耐受在使用期间由流动金属施加到内管口的应力，而只需简单地在有限的持续时间内耐受内管口的自重。如下面的章节(e)中进一步详细解释的，当内管口用旧并且需要更换时，从出口移除用过的管口的一种常见方式是使用特定工具通过人为施加的剪切力沿纵向轴线z将内管口拉出，所述人为施加的剪切力用于破坏硬质密封件(2)层。由于突出部(11)由延展性或脆性材料制成并且具有相应地确定的尺寸，因此突出部可在密封材料前体凝固时将内管口自锁在其操作位置，并且当用旧时允许通过常用的相同技术拉出内管口而不必首先对内管口解锁，用于将用过的内管口拉出出口的拉力足以使突出部弯曲或断裂。
如本领域所公知的，内管口优选地包括包覆内管口的侧表面(10l)的至少一部分的金属罐封材料。金属罐封材料优选地在侧表面邻近于内管口下游表面(10u)的至少一部分上形成内衬。
在优选实施例中，突出部(11)由金属制成。突出部可为金属罐封材料的一体部分，或者可通过熔接、焊接或通过本领域已知的任何耦接方法耦接到金属罐封材料。在图2所示的又一优选实施例中，突出部(11)属于正交于纵向轴线z且围绕侧表面的整个周缘的凸缘(11f)。所述凸缘优选地由金属制成，并且可通过熔接、焊接或通过本领域已知的任何耦接方法耦接到金属罐。凸缘(11f)具有以下优点：在其中发生泄漏的情况下保持通过硬密封件(2)渗透的任何金属，并且因此保持内管口的位于凸缘下游的部分(包含下游表面(10d))不含任何金属。
所述内管口的所述侧表面优选地包括旋转把手(10r)，所述旋转把手包含凸耳或凹槽，其位置邻近于所述内管口的所述下游表面的并且当所述内管口插入所述锁定环中时允许插入工具，所述工具用于使所述内管口围绕所述纵向轴线z旋转并且将所述内管口沿所述纵向轴线z从所述锁定环拉出。这种旋转把手非常有益于执行一些操作，包括将内管口安装到冶金容器的出口和从冶金容器的出口移除内管口。这种旋转把手还简化了用于自动地执行所有这些操作的机器人的使用。这优于现有技术的内管口的地方在于，旋转把手是内管口的侧表面的一部分，其在使用期间不会磨损或很少磨损。这样，旋转把手在移除用过的内管口时保持其完全的整体性和强度。相比之下，传统的内管口在使用之后是通过将工具穿过内管口的孔插入来移除的，所述内管口的孔是内管口在使用期间受磨损影响最大的部分。在一些情况下，磨损可能非常严重以至于工具的插入和拔出可能破坏用过的内管口的整体性，从而使得移除变得更加困难。
旋转把手(10r)优选地由金属制成。其还优选地属于包覆内管口的侧表面(10l)的邻近于下游表面(10d)的至少一部分的金属罐封材料。图2中所示的旋转把手(10r)是t形的，以允许牢固抓握以使内管口围绕纵向轴线z旋转并且沿z拔出内管口。其它几何形状当然是可能的，并且并不对本发明构成限制。机器人可容易地识别旋转把手的位置，可容易地抓住旋转把手，并且根据需要操纵内管口，包括在安装新的内管口和移除用过的内管口的操作期间旋转、推动和拔出内管口。
(b)上部框架(30f)
如图1、图4到图6所示，冶金容器(200)，例如钢包(200l)或中间包(200t)，包括由金属制成的外壳和由耐火材料制成的内衬(200r)，用于使外壳与冶金容器中所含的熔融金属(1)的高温隔绝。在容器的底板处，外壳包括开口，所述开口由穿过内衬沿纵向轴线z延伸的通道延续，并且一起形成冶金容器的出口。
上部框架(30f)刚性地固定到外壳的底板的外表面。上部框架由金属制成，并且通过本领域公知的固定装置(3)(通常包含螺钉和螺栓)刚性地固定到外壳的底板。上部框架(30f)在冶金容器与耐火部件之间形成耦接界面，所述耐火部件限定了用于使熔融金属流出冶金容器的流动通道。所述耐火部件包含内管口(10)、集液管口(100)、闸门板(20g、25g、30g)、浇注管口(101)、钢包长水口(111)等中的一个或多个。
内管口(10)必须固定在冶金容器的出口中，其中上游表面(10u)面向冶金容器的内部并且在出口内插入内衬中的通道内。通道与内管口的侧表面(10l)之间的间隙用硬质密封件(2)密封，所述硬质密封件也将内管口固定在其操作位置。下游表面(10d)背对容器，并且位于冶金容器的外部。根据本发明，内管口的下游表面相对于纵向轴线z位于上部框架的高度处，在那里，内管口与下文在章节(c)中更详细描述的锁定环(31)相互作用。
熔融金属流出冶金容器的流动速率可通过滑动闸门或旋转闸门加以控制。图5中图示了双板式滑动闸门的一个示例，并且图6中示出了三板式滑动闸门。上部框架(30f)包括用于接收并且刚性固定双板式或三板式滑动闸门的上部板(30g)的耦接单元。上部板设置有位置与内管口的孔对齐的孔。内管口(10)的下游表面(10d)用一层密封材料(2)密封到上部板(30g)的上表面。一方面，填充出口与内管口之间的间隙的硬密封件(2)，另一方面，刚性固定的下游管口的上游表面(其上搁置刚性固定的上部板(30g))，这两者皆在熔融金属流过孔(10b)期间确保内管口安全地固定在出口中。
在如图5所示的双板式闸门中，设置有孔的底板(20g)被接收并且刚性地固定到移动载架(20)，所述移动载架可沿正交于纵向方向z的方向移动，被液压活塞(20p)致动以使得底板(20g)的上游表面在上部板(30g)的下游表面上滑动，以便使底板(20g)的孔与上部板(30g)的孔对齐或不对齐。通过将集液管口固定到移动载架(20)，集液管口(100)刚性地耦接到底板(30g)的下游表面。
在如图6所示的三板式闸门中，设置有孔的底板(20g)被接收并且刚性地固定到上部框架(30f)，其中底板的上游表面平行于上部板的下游表面并且与下游表面隔开，使得上部板与下部板的两个孔对齐。通过将集液管口固定到上部框架(30f)，集液管口(100)刚性地耦接到底板(30g)的下游表面。
设置有孔的中间板(25g)被接收并且刚性地固定到移动载架(25f)，所述移动载架可像抽屉那样在固定的上部板与底板(20g、30g)之间沿正交于纵向方向z的方向移动，由液压缸或气动缸(20p)或电驱动器致动，使得中间板(25g)的上游表面在上部板(30g)的下游表面上滑动，并且中间板的下游表面(25g)在底板(20g)的上游表面上滑动，以使中间板(20g)的孔与上部板和底板(20g、30g)的孔对齐或不对齐。
上部框架(30f)可刚性地固定到例如钢包、熔炉或中间包的任何冶金容器的底表面。
(c)锁定环(31)
本发明的要旨是锁定环(31)，其刚性地固定到上部框架(30f)并且与突出部(11)组合用于至少在密封材料前体凝固成硬质密封件(2)所需的时间内将内管口锁定在其操作位置。锁定环(31)的示例在图3中图示。锁定环沿纵向轴线z从上游边缘(31u)延伸到下游边缘(31d)，并且限定一开口，所述开口由将所述上游边缘与所述下游边缘结合在一起的内表面限定。
锁定环的内表面设置有n个l形通道。每一个l形通道都具有：
(a)第一通道部分(32)，其平行于所述纵向轴线(z)从所述下游边缘延伸到所述第一通道部分的第一通道端部(32e)，并且具有宽度w1，所述宽度w1大于所述突出部的宽度w，从而允许所述内管口穿过所述锁定环的所述开口沿所述纵向轴线z的平移，其中所述上游表面首先接合在所述锁定环的下游边缘侧，其中所述突出部接合在对应的第一通道部分(32)中，直到所述突出部抵靠对应的第一通道端部(32e)为止，在那里，所述内管口沿所述纵向轴线z的进一步平移得以防止，以及
(b)第二通道部分(33)，其从第一通道端部横向于纵向轴线z延伸并且具有宽度w2，所述宽度w2大于突出部(11)的厚度t，从而允许通过围绕所述纵向轴线z将所述内管口旋转到锁定位置而将所述突出部(11)接合到对应的第二通道部分(33)，在所述锁定位置，通过使所述突出部接合在所述第二通道部分中防止所述内管口从所述锁定环被拔出。
优选地，所述第二通道部分包括位于所述锁定环的下游边缘的侧部上的侧边缘，所述侧边缘不平行于内管口的下游表面并且以一定角度延伸以形成螺纹，使得所述内管口朝向所述锁定位置的旋转使所述内管口更深地平移穿过所述锁定环。锁定环的作用类似于卡口或螺纹，当内管口围绕纵向轴线z旋转时其与内管口的突出部(11)相互作用。将内管口锁定在其操作位置所需的旋转锁定角度α不需要非常大。旋转角度的最大值取决于将围绕半径为r的内表面的周缘分布的两个邻近第一通道部分(32)分开的距离dc。如果n个第一通道部分具有相同的宽度w1，并且围绕周缘均匀分布，则锁定角度α优选小于dc/r[rad]1。例如，内管口相对于锁定环的不超过45°，优选地不超过35°的锁定角度α的旋转足以将突出部插入并抵靠第二通道部分(33)的端部并且将内管口安全地自锁在其操作位置。出于安全原因，锁定角度α优选为至少10°。
在优选实施例中，第二通道部分(33)是锥形的，从而远离第一通道部分(32)变薄。突出部(11)优选地具有沿突出部的方位宽度w逐渐变细的厚度t，使得当内管口已经旋转到其自锁位置时，突出部的锥形与相应第二通道部分的锥形相配接，使得突出部的上游面和下游面接触限定第二通道部分的两个侧边缘。通过这种设计，不仅防止内管口移出锁定环，而且还防止内管口沿纵向轴线z穿过锁定环进一步移动。
(d)用于将内管口固定在冶金容器的出口中的方法
利用根据本发明的自锁式内管口系统，与现有技术的系统相比，大大简化了将处于操作位置的内管口(10)固定在冶金容器的出口中。冶金容器(200)如上所述耦接到上部框架(30f)，所述上部框架在出口的高度处刚性地固定到冶金容器的底表面。锁定环(31)如上所述刚性地固定到上部框架，其中锁定环的开口与冶金容器的出口对齐，并且下游边缘(31d)背对冶金容器。为了将内管口密封并且固定到出口，将密封材料前体以屈服形式(例如，液体或糊状)施加到冶金容器的出口中和/或内管口的侧表面上。
如图4所示，内管口(10)可首先从下游边缘(31d)通过锁定环开口与上游表面接合(参见图4(a))。内管口可沿纵向轴线z被驱动通过锁定环，其中n个突出部全程接合在对应的第一通道部分(32)中，直到所述突出部抵靠第一通道端部(32e)为止。在这个阶段，不可能使内管口通过锁定环的开口沿纵向轴线z进一步平移(参见图4(b))。密封材料前体填充冶金容器的出口与内管口的侧表面(10l)之间的间隙。在这个阶段，密封材料前体仍然处于屈服状态，并且可容易地变形而不会损坏。
可使内管口围绕纵向轴线z旋转，从而使所述突出部接合到第二通道部分(33)中，直到内管口自锁到其操作位置(参见图4(c)和(d))为止。由于突出部(11)不面向对应的第一通道部分(32)，并且相对较深地接合到横向延伸的第二通道部分(33)中，因此内管口不能沿纵向轴线z移动，并且自锁到其操作位置。“自锁”在本文中是指内管口能够在没有任何外部装置(例如操作员的手、机器人的夹子等)的帮助下保持其位置。
由于内管口自锁到其操作位置，因此可允许密封材料前体凝固并且转变成硬质密封件(2)以密封并且将如此自锁的内管口固定在其操作位置，而无需通过任何外部装置将内管口保持在适当位置。这代表了相对于现有技术方法的重大突破，现有技术方法总是需要操作员或机器人在密封材料前体凝固所需的时间内牢固地保持内管口。
因此，内管口通过突出部(11)与锁定环(31)的l形通道的相互作用而锁定在其操作位置。接着通过形成在出口与内管口之间的间隙中的硬质密封件(2)将内管口固定在其操作位置。当将包含闸门上部板(30g)或下游管口(100、101)的耐火部件压靠在内管口的下游表面(10d)上以与密封材料形成密封接触时，内管口维持其位置。在这个阶段，内管口一方面通过出口与内管口之间的硬质密封件(2)，另一方面通过使内管口搁置于上部闸门板或下游管口的上游表面上而安全地紧固在其操作位置。
用于将内管口固定在容器出口中的方法还具有另外的优点，即沿纵向轴线z控制内管口在浇铸通道内的位置。实际上，突出部抵靠第一通道端部(32e)，从而防止内管口进一步平移到浇铸通道中。第一通道端部(32e)用作将内管口固定在限定位置的正向止挡件，从而以此方式允许控制内管口底表面(10d)与上部耐火板(30g)的上表面之间的接头的厚度。
本发明的第一目的是至少在密封材料凝固成硬质密封件(2)所需的时间内将内管口自锁在其操作位置。本发明的优选实施例包含设计突出部(11)的尺寸，使得其可通过施加适度的力(例如人力)而容易地断裂或变形。此实施例必须使用凝固成具有足够刚性以将内管口固定在其操作位置的密封件的密封材料前体。相反，如果突出部的尺寸设计得足够坚固以耐受相当大的应力，则突出部既可用于自锁内管口又可用于将内管口固定在其操作位置。在这些条件下，可选择不一定凝固成具有足够硬度以将内管口固定在其操作位置的密封材料。例如，可使用膨胀粉末或发泡材料，其唯一的功能是密封出口与内管口之间的间隙，而不是将内管口固定在其操作位置，将内管口固定在其操作位置的功能通过接合在锁定环(31)的第二通道部分(33)中的强韧突出部(11)来实现。在冶金设备中用作密封元件的膨胀材料例如记载在ep2790856中。
为了将内管口固定到冶金容器的出口所需的对内管口的所有操纵操作可容易地由机器人执行。这些操作可快速完成，并且机器人可接着用于其它任务，因为在密封材料前体凝固时不需要将内管口保持在其操作位置。在所有情况下，但特别是与机器人一起使用时，包括如上所述的旋转把手(10r)的内管口是特别有利的。
(e)用于从冶金容器的出口取回内管口的方法
固定在本发明的自锁式内管口系统中的内管口由接合在对应的第二通道部分(33)中的突出部(11)锁定，并且一方面通过填充出口与内管口之间的间隙的硬质密封件(2)并且另一方面通过搁置在闸门系统的上部板(30g)的上游表面上来固定在其操作位置(参见图5和6)，所述内管口通过密封材料(2)密封到所述上游表面。当内管口磨损并且需要更换时，可通过用工具夹紧内管口的表面将其从出口移除，并且根据所使用的内管口(10)和密封材料前体(2)的类型应用下面描述的方法中的任何一种。
如果内管口包括由脆性或可延展的材料制成的突出部(11)，并且所述突出部具有某些尺寸以使得突出部可通过施加适度的力(例如人力)而变形或断裂，则可使用工具以一定力来沿纵向轴线z将内管口拔出，所述力一方面足以破坏在内管口与硬质密封件(2)之间形成的密封结合，另一方面足以使突出部(11)断裂或弯曲以允许内管口通过锁定环的开口。此技术实际上是在现有技术系统中用于取回用过的内管口的最常用技术的改进，包括：通过内管口的孔引入钩形工具、将钩状部分搁置在内管口的上游表面上并且拔出。利用根据本发明的系统，只有当突出部(11)可容易地断裂或变形，从而允许内管口被从锁定环的开口中被拔出时，这才是可能的。内管口有利地设置有旋转把手(10r)，其允许比插入孔中的工具更好地抓握内管口。
或者，内管口可以通过一定力围绕纵向轴线z旋转，所述力足以破坏在内管口与硬质密封件(2)之间形成的密封结合，从而沿对应的第二通道部分(33)驱动突出部(11)，直到突出部面向对应的第一通道部分(32)为止。此时，可沿纵向轴线z拔出内管口。此步骤非常简单，因为一方面，硬质密封件(2)已经被内管口的旋转破坏，另一方面，内管口的突出部(11)面向锁定环的第一通道部分(32)，并且可沿第一通道部分滑动而没有任何进一步的阻力。如果突出部太强韧而不易弯曲或断裂，则需要此技术。
对于两种移除技术，特别是包含内管口的旋转的后一种移除技术，如果内管口是两件式内管口，则取回内管口所需的力较小，因为上游部分(10y)与下游部分(10z)之间的接合可容易地断裂，从而大大减小了需通过内管口的旋转而断裂的硬质密封件(2)的面积。
同样，与安装一样，根据本发明的用于从系统移除内管口的所有操作可由机器人执行。这里再次优选地出现旋转把手(10r)。
(f)结论
在其最简单的实施例中，根据本发明的自锁式内管口系统通过至少在施加到出口与内管口之间的间隙内的密封材料前体凝固成硬质密封件(2)所需的时间内将内管口自锁在其工作位置中而有助于将内管口固定在冶金容器的出口中，而不需要用于将内管口保持在适当位置的任何外部装置。这本身就代表了一个重大突破，因为其增加了人类操作员或机器人的可用性，在密封件(2)凝固之前不再如迄今为止那样需要人类操作员或机器人将内管口保持在适当位置。
本发明的内管口系统还允许精确控制内管口沿纵向轴线z在浇铸通道内的位置以及内管口底表面与上部耐火板的上表面之间的接合部的厚度。
为内管口设置旋转把手(10r)，通过拔出、推动和旋转内管口本质上便于操纵内管口以将其移入和移出出口。当使用机器人将内管口安装到出口中和/或从出口移除时，旋转把手也是有利的。
突出部(11)优选地由金属制成，并且可直接耦接到金属罐封材料(10c)。或者，突出部可为环绕内管口的侧表面的凸缘(11f)的一部分。凸缘的优点在于其可保持流过密封件(2)中的泄漏处的任何金属。
突出部可为脆性或可延展的，使得在通过沿纵向轴线拔出内管口来移除内管口时，突出部可断裂或弯曲以允许内管口通过锁定环的开口。
在替代实施例中，突出部(11)足够硬，以将内管口锁定并且固定在其操作位置。这具有的优点是，可使用具有良好密封性能但机械性能差的密封材料在出口与内管口之间形成密封。内管口的移除需要使内管口旋转，接着沿纵向轴线z拔出内管口，其中突出部沿锁定环(31)的对应的第一通道部分(32)滑动。
1.一种自锁式内管口系统，包括：
内管口(10)，所述内管口包括：
上游表面(10u)和下游表面(10d)，所述上游表面和所述下游表面通过具有管口高度h的侧表面(10l)彼此接合，并且包括沿纵向轴线(z)从所述上游表面延伸到所述下游表面的孔(10b)，
n个突出部(11)，其中n≥2，所述突出部围绕所述侧表面的周缘分布，每个突出部包括彼此隔开所述突出部的厚度t的下游面(11d)和上游面(11u)，所述突出部具有正交于所述纵向轴线(z)测得的方位宽度(w)，
上部框架(30f)，所述上部框架适于刚性地固定到冶金容器的底表面，
锁定环(31)，所述锁定环刚性地固定到所述上部框架并且沿所述纵向轴线(z)从上游边缘(31u)延伸到下游边缘(31d)并且限定开口，所述开口由接合所述上游边缘与所述下游边缘的内表面限定，
其特征在于，所述锁定环的所述内表面设置有n个l形通道，每个l形通道具有：
第一通道部分(32)，所述第一通道部分沿所述纵向轴线(z)从所述下游边缘延伸到所述第一通道部分的第一通道端部(32e)，并且具有宽度w1，所述宽度w1大于所述突出部的宽度(w)，从而允许所述内管口沿所述纵向轴线(z)平移通过所述锁定环的所述开口，其中所述上游表面首先接合在所述锁定环的下游边缘侧，所述突出部接合在对应的第一通道部分中，直到所述突出部抵靠对应的第一通道端部为止，此时防止所述内管口沿所述纵向轴线(z)进一步平移，以及
第二通道部分(33)，所述第二通道部分从所述第一通道端部横向于所述纵向轴线(z)延伸并且具有宽度w2，所述宽度w2大于突出部的所述厚度t，从而通过围绕所述纵向轴线(z)将所述内管口旋转到锁定位置而允许所述突出部接合到对应的第二通道部分内，在所述锁定位置，通过使所述突出部接合在所述第二通道部分中而防止所述内管口从所述锁定环被拔出。
2.根据权利要求1所述的自锁式内管口系统，其中n＝3或4，并且其中所述n个突出部(11)均匀地分布在所述侧表面(10l)的周缘周围。
3.根据权利要求1或2所述的自锁式内管口系统，其中所述第二通道部分包括位于所述锁定环(31)的所述下游边缘侧部上的侧边缘，所述侧边缘是角度的，由此形成螺纹，使得所述内管口(10)朝向所述锁定位置的旋转使所述内管口更深地平移通过所述锁定环。
4.根据权利要求1所述的自锁式内管口系统，其中所述内管口(10)的所述侧表面(10l)包括旋转把手(10r)，所述旋转把手包含邻近于所述内管口的所述下游表面(10d)定位的凸耳或凹槽，并且当所述内管口插入所述锁定环中时允许插入工具，所述工具用于使所述内管口围绕所述纵向轴线(z)旋转并且将所述内管口沿所述纵向轴线(z)从所述锁定环(31)拔出。
5.根据权利要求1所述的自锁式内管口系统，其中所述突出部(11)是由脆性或可延展的材料制成，并且所述突出部的尺寸使得在将所述内管口(10)从操作位置移除时，通过施加力就能使所述突出部变形或断裂。
6.根据权利要求5所述的自锁式内管口系统，其中所述力不大于400n。
7.根据权利要求1所述的自锁式内管口系统，其中所述突出部(11)是由金属制成并且属于包覆所述内管口(10)的所述侧表面(10l)的至少一部分的金属罐封材料(10c)，和/或所述突出部(11)属于正交于所述纵向轴线(z)的围绕所述侧表面的整个周缘的凸缘(11f)。
8.根据权利要求7所述的自锁式内管口系统，其特征是：所述突出部(11)从所述凸缘(11f)突出。
9.根据权利要求4所述的自锁式内管口系统，其中所述旋转把手(10r)是由金属制成并且属于包覆所述内管口(10)的所述侧表面(10l)的至少一部分的金属罐封材料(10c)。
10.根据权利要求1所述的自锁式内管口系统，其中所述突出部(11)位于沿所述纵向轴线(z)测量的距所述下游表面(10d)的距离d处，所述距离d不大于所述管口高度h的30％。
11.根据权利要求10所述的自锁式内管口系统，其中所述距离d不大于所述管口高度h的20％。
12.根据权利要求1所述的自锁式内管口系统，其特征是：所述自锁式内管口系统安装在冶金容器(200)的底表面处，所述冶金容器选自钢包、熔炉或中间包。
13.根据权利要求1所述的自锁式内管口系统，其特征是：所述自锁式内管口系统为安装在所述冶金容器(200)的底部处的闸门系统的一部分。
技术总结