耐火内衬结构的制作方法
本申请涉及耐火内衬结构。
背景技术：
本背景技术部分中描述的信息未被承认为现有技术。
在冶金工艺中，例如浇铸，将熔融金属在冶金容器中的单元操作之间输送。例如，在连续铸造工艺中，使钢水从炼钢炉流出进入钢包。钢包充当输送容器，钢水在其中从炼钢炉移动到浇铸平台。在浇铸平台，钢水从钢包转移到中间包。中间包充当计量装置，其将钢水通过一个或多个水口以连续流分配到模具中。
冶金容器，例如钢包和中间包，必须物理地容纳在相对高温度(例如在炼钢工艺中，在高于1400℃(2552℉)的温度)下的熔融金属。此外，冶金容器的熔融金属接触表面应尽可能地对该容器内容纳的熔融金属呈化学惰性。因此，冶金容器衬有耐火材料，以提供物理稳定和化学稳定的熔融金属接触表面并且提供熔融金属和容器壳体之间的隔离，所述容器壳体通常由实心钢制成，因此如果与熔融金属接触，则容易过热并损失机械完整性。
已经为冶金容器内衬开发出各种耐火制品。然而，用于冶金容器的增强耐火内衬结构将是有利的，其在使用期间提供改进的机械稳定性和结构完整性。
技术实现要素：
本说明书中描述的发明涉及用于冶金容器的耐火内衬结构。本说明书中描述的发明还涉及包括所述耐火内衬结构的冶金容器、制造所述耐火内衬结构的方法、制造包括所述耐火内衬结构的冶金容器的方法，以及在冶金工艺中使用包括所述耐火内衬结构的冶金容器的方法。所述耐火内衬结构提供了改进的机械稳定性和结构完整性，其特征在于，例如，在预热和使用期间，在冶金容器中减少了工作衬从下方背衬开裂、分层和剥落，同时在冶金操作完成之后仍然便于移除金属渣壳。
一种用于冶金容器的耐火内衬结构包括第一层以及位于所述第一层的至少一部分下方的第二层。第一层和第二层都具有从冶金容器的侧壁背离的第一表面，以及与该第一表面相对并面向冶金容器的侧壁的第二表面。第一层的第二表面接触第二层的第一表面。第一层包括第一耐火材料，第二层包括第二耐火材料。至少一个细长膨胀缝在第一层的第一表面中形成，并且沿着基本垂直的方向延伸穿过第一层的第一表面。
附图说明
通过参考附图可以更全面地理解本说明书中描述的发明的各种特征和特性，其中：
图1a至1d是包括耐火内衬结构的中间包的未按比例绘制的示意图，其中图1a是中间包的等轴测(顶)视图；图1b是中间包的横截面立(侧)视图；图1c是示出中间包中的熔融金属的另一横截面(侧)立视图；以及图1d是中间包的俯视图；
图2a是中间包的侧壁和底板的部分的未按比例绘制的截面立(侧)视图，示出了在中间包侧壁上的耐火内衬结构的第一层(工作衬)中形成的细长膨胀缝，细长膨胀缝延伸穿过第一层的整个厚度，并且延伸到中间包侧壁上的第一层的整个高度；图2b是垂直于图2a中的线b-b看到的中间包侧壁和底板部分的未按比例绘制的局部截面图；
图3是中间包侧壁和底板的部分的未按比例绘制的局部等轴测视图，示出了牺牲或以其它方式可移除的插入件，其在中间包侧壁上的耐火内衬结构的第一层(工作衬)中形成细长膨胀缝；
图4a是中间包侧壁和底板的部分的未按比例绘制的截面立(侧)视图，示出了在中间包侧壁上的耐火内衬结构的第一层(工作衬)中形成的细长膨胀缝，细长膨胀缝延伸穿过第一层的厚度的一部分，并且延伸到中间包侧壁上的第一层的整个高度；图4b是垂直于图4a中的线b-b看到的中间包侧壁和底板的部分的未按比例绘制的局部截面图；
图5a是中间包侧壁和底板的部分的未按比例绘制的截面立(侧)视图，示出了在中间包侧壁上的耐火内衬结构的第一层(工作衬)中形成的细长膨胀缝，细长膨胀缝延伸穿过第一层的整个厚度，并且延伸到中间包侧壁上的第一层的高度的一部分(从工作衬的底板表面上方的位置到中间包边缘下方的位置)；图5b是垂直于图5a中的线b-b看到的中间包侧壁和底板的部分的未按比例绘制的局部截面图；
图6a是中间包侧壁和底板的部分的未按比例绘制的截面立(侧)视图，示出了在中间包侧壁上的耐火内衬结构的第一层(工作衬)中形成的细长膨胀缝，细长膨胀缝延伸穿过第一层的整个厚度，并且延伸到中间包侧壁上的第一层的高度的一部分(从工作衬的底板表面到渣线)；图6b是垂直于图6a中的线b-b看到的中间包侧壁和底板的部分的未按比例绘制的局部截面图；
图7a是中间包侧壁和底板的部分的未按比例绘制的截面立(侧)视图，示出了在中间包侧壁上的耐火内衬结构的第一层(工作衬)中形成的细长膨胀缝，细长膨胀缝延伸穿过第一层的整个厚度，并且延伸到中间包底板上的工作衬的底板表面下方；图7b是垂直于图7a中的线b-b看到的中间包侧壁和底板的部分的未按比例绘制的局部截面图；
图8是中间包侧壁和底板的部分的未按比例绘制的截面立(侧)视图，示出了在中间包侧壁上的水平定位的细长膨胀缝以及基本垂直定位的细长膨胀缝，所述细长膨胀缝在中间包侧壁上的耐火内衬结构的第一层(工作衬)中形成；
图9是中间包侧壁和底板的部分的未按比例绘制的截面立(侧)视图，示出了具有直对角线轮廓的细长膨胀缝，所述细长膨胀缝在中间包侧壁上基本垂直地延伸，并且所述细长膨胀缝在中间包侧壁上的耐火内衬结构的第一层(工作衬)中形成；
图10是中间包侧壁和底板的部分的未按比例绘制的截面立(侧)视图，示出了具有折线轮廓的细长膨胀缝，所述细长膨胀缝在中间包侧壁上基本垂直地延伸，并且所述细长膨胀缝在中间包侧壁上的耐火内衬结构的第一层(工作衬)中形成；
图11是中间包侧壁和底板的部分的未按比例绘制的截面立(侧)视图，示出了具有曲线轮廓的细长膨胀缝，所述细长膨胀缝在中间包侧壁上基本垂直地延伸，并且所述细长膨胀缝在中间包侧壁上的耐火内衬结构的第一层(工作衬)中形成；
图12是中间包侧壁和底板的部分的未按比例绘制的截面立(侧)视图，示出了具有组合的曲线和直对角线轮廓的细长膨胀缝，所述细长膨胀缝在中间包侧壁上基本垂直地延伸，并且所述细长膨胀缝在中间包侧壁上的耐火内衬结构的第一层(工作衬)中形成；
图13是t形中间包的未按比例绘制的俯视图，该中间包包括耐火内衬结构，该耐火内衬结构包括细长膨胀缝；
图14是三角型中间包的未按比例绘制的俯视图，该中间包包括耐火内衬结构，该耐火内衬结构包括细长膨胀缝；以及
图15a和15b是包括耐火内衬结构的中间包的未按比例绘制的示意图，该耐火内衬结构包括不同尺寸的细长膨胀缝，其中图15a是中间包的等轴测(顶)视图；以及图15b是中间包的横截面立(侧)视图。
通过考虑本发明的以下详细描述，读者将理解前述特征和特性以及其他特征和特性。
具体实施方式
本说明书中描述的发明涉及用于冶金容器的耐火内衬结构。所述耐火内衬结构可以包括第一层以及位于所述第一层的至少一部分下方的第二层。耐火内衬结构还可以包括位于第二层的至少一部分下方的第三层。第一层相当于“工作衬”，该第一层接触容纳在包括耐火内衬结构的冶金容器中的熔融金属。第二层可以相当于“背衬”和/或“安全衬”。如果耐火内衬结构包括第三层(或更多下层)，那么第二层相当于中间耐火背衬，而第三层可以相当于耐火安全衬。
例如，用于连续铸钢工艺的中间包可以包括耐火内衬结构，所述耐火内衬结构包括：(1)相当于耐火“工作衬”的第一层，所述第一层在使用期间接触容纳在中间包中的熔融金属；(2)相当于中间耐火“背衬”的第二层，所述第二层可用作分离层，以便于在连续铸造期结束后去除金属渣壳；以及(3)相当于永久或半永久耐火“安全衬”的第三层，该第三层接触中间包的壳体(侧壁和/或底板)。在连续铸造期结束后，未从中间包排出的残余钢可以冷却和凝固而形成附着于工作衬的渣壳。渣壳可以通过在称为“脱渣壳”的操作中倒置中间包来移除。渣壳料在重力作用下导致工作衬从下方的安全衬分离，该安全衬保持固定在倒置的中间包内，而不会与渣壳一起脱落。然后，可以通过在安全衬上施加新的背衬并且在背衬上施加新的工作衬对中间包进行重新处理，以用于另一个连续铸造期。
已观察到，包括氧化铝材料(例如基于氧化铝的耐火材料)的工作衬提供了脱渣壳能力、物理稳定性以及与钢水接触的化学稳定性的良好组合。然而，还观察到，包括氧化铝材料的工作衬表现出从下方的背衬和/或安全衬开裂、分层和剥落相对较高的发生率。
在预热操作期间，当中间包中的耐火内衬结构被加热到接近或超过1093℃(2000°f)的温度时，上覆的耐火工作衬可以以高达四倍(4x)或高于四倍于下方的耐火背衬和/或安全衬的速度吸收热能，其中上覆的耐火工作衬使下方的耐火背衬和/或安全衬与热源隔离。此外，上覆的工作衬和下方的背衬和/或安全衬可以包括不同的组成材料，例如基于氧化铝的耐火材料和基于氧化镁的耐火材料，它们具有不同的导热率和热膨胀系数。因此，在预热操作期间，上覆的耐火工作衬比下方的耐火背衬和/或安全衬膨胀得更多，由此在耐火工作衬中诱发内应力，从而形成薄弱点。当诱发的内应力超过局部材料强度时，或者当外部载荷施加到局部薄弱点时(例如，当接触钢水时)，工作衬可能开裂。此外，工作衬可能从中间包侧壁分层和剥落，这也可能损坏甚至拆离下方的背衬或安全衬的部分。当工作衬覆盖冶金容器侧壁的整个熔融金属接触表面时，这可能尤其成问题，因此工作衬被机械地原位限制在容器侧壁上，并且没有空间来机械地适应热膨胀。
在预热和使用过程中，本说明书中描述的耐火内衬结构可以减少(并在某些情况下消除)工作衬在冶金容器中从下方的背衬和/或安全衬形成开裂、分层和剥落的发生率，同时在冶金操作完成之后仍然便于脱渣壳。该耐火内衬结构的特征在于至少一个细长膨胀缝，所述膨胀缝在工作衬的熔融金属接触表面中形成并延伸穿过该熔融金属接触表面，其中所述细长膨胀缝沿着基本垂直的方向取向。细长膨胀缝在用于连续铸造操作的预热过程中适应冶金容器例如中间包中的工作衬的热膨胀。
用于冶金容器的耐火内衬结构可以包括第一层以及位于所述第一层的至少一部分下方的第二层。第一层包括第一耐火材料，第二层包括第二耐火材料。第一耐火材料和第二耐火材料可以独立地包括例如选自由氧化铝耐火材料、氧化镁耐火材料、铬耐火材料和氧化锆耐火材料及其任意组合组成的组中的耐火材料。例如，第一耐火材料可以包括氧化铝耐火材料，第二耐火材料可以包括氧化镁耐火材料。或者，例如，第一耐火材料和第二耐火材料可以都包括氧化铝耐火材料，其中第一氧化铝耐火材料和第二氧化铝耐火材料可以在化学组成和/或物理性质(例如密度、孔隙率、厚度等)方面相同或不同。
本文所用的“氧化铝耐火材料”是指包含至少50质量％氧化铝(al2o3)的耐火材料，氧化镁耐火材料是指包含至少50质量％氧化镁(mgo)的耐火材料。氧化铝耐火材料可以包含以质量计至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％的氧化铝(al2o3)。氧化铝耐火材料可以包含附加的耐火组分，例如二氧化硅、铁氧化物、氧化钙、氧化锆、铬氧化物(chromia)或氧化镁，或其任意组合。氧化镁耐火材料可以包含以质量计至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％的氧化镁(mgo)。氧化镁耐火材料可以包含附加的耐火组分，例如二氧化硅、铁氧化物、氧化钙、氧化锆、铬氧化物或氧化铝，或其任意组合。氧化铝耐火材料和氧化镁耐火材料不一定包含氧化铝和氧化镁本身，而可以以与其它组分化学结合的形式包含这些组分。例如，氧化铝耐火材料可以以莫来石形式包含氧化铝(例如煅烧莫来石)，氧化镁耐火材料可以以菱镁矿-橄榄石形式包含氧化镁，以及其它耐火组分，例如二氧化硅、氧化铝、铁氧化物和氧化钙。
类似地，本文所用的“铬耐火材料”是指包含至少50质量％铬氧化物(cr2o3)的耐火材料，氧化锆耐火材料是指包含至少50质量％氧化锆(zro2)的耐火材料。铬氧化物耐火材料可以包含以质量计至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％的铬氧化物(cr2o3)，氧化锆耐火材料可以包含以质量计至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％的氧化锆(zro2)。铬耐火材料和氧化锆耐火材料可以包含附加的耐火组分，例如二氧化硅、铁氧化物、氧化钙、铬氧化物、氧化锆、氧化铝或氧化镁，或其任意组合。铬氧化物耐火材料和氧化锆耐火材料不一定包含铬氧化物和氧化锆本身，而可以以与其它组分化学结合的形式包含这些组分。例如，氧化锆耐火材料可以以锆石形式包含锆(即原硅酸锆)。
第一层相当于工作衬，第二层可以相当于与冶金容器的金属壳体接触的安全衬。或者第二层可以相当于介于工作衬和单独的安全衬之间的中间内衬。第一层和第二层都具有从冶金容器的侧壁背离的第一表面以及与第一表面相对并面向冶金容器的侧壁的第二表面。在使用中，第一层的第一表面是熔融金属接触表面。第一层的第二表面接触第二层的第一表面。第二层的第二表面接触任何下方的耐火层(例如单独的安全衬)或冶金容器的金属壳体的内表面。第一层和第二层可以彼此独立地具有的厚度在1mm(0.04英寸)至65mm(2.6英寸)范围内，或在包含在其中的任何子范围内，例如10-50mm(0.4-2英寸)、15-50mm(0.6-2英寸)、20-50mm(0.8-2英寸)或25-50mm(1-2英寸)。
至少一个细长膨胀缝在第一层的第一表面中形成，并且沿着基本垂直的方向延伸穿过第一层的第一表面。本文所用的“细长膨胀缝”是指在冶金容器中的工作衬的表面中具有大于或等于0.05纵横比的凹陷体积，其中纵横比是在第一层的第一表面上基本垂直测量的凹陷体积的最大长度除以在第一层的第一表面上测量的凹陷体积的最大水平宽度。例如，如果细长膨胀缝具有沿着其水平宽度方向长度不等的不规则形状，则使用最大测量长度尺寸来计算纵横比。例如，如果细长膨胀缝具有沿着其长度方向水平宽度不等的不规则形状，则使用最大测量宽度尺寸来计算纵横比。耐火内衬结构的细长膨胀缝可以具有大于或等于0.05、0.1、0.5、1、5、10、25、50、100、150、200、250、300或350的纵横比。耐火内衬结构的细长膨胀缝可以具有小于或等于2000、1850、1750、1500、1000、500、450、400、350、300、250、200、150、100、50、25或10的纵横比。耐火内衬结构的细长膨胀缝可以具有的纵横比在0.05-2000范围内，或在包含在其中的任何子范围内，例如0.1-1000、1-500或10-150。
本文所用的“基本垂直的方向”是指从冶金容器的底板远离向上朝向冶金容器的边缘延伸。冶金容器，例如中间包，可以具有侧壁，所述侧壁与容器的底板不垂直，而是相对于垂直轴(定义为垂直于水平面的轴)以非零角度从容器底板向上延伸。因此，如果细长膨胀缝从冶金容器的底板远离向上朝向冶金容器的边缘延伸，则细长膨胀缝沿着基本垂直的方延伸。
参照图1a至图1d，中间包10包括壳体12和耐火内衬结构18。中间包10包括底板部分14和侧壁部分16。耐火内衬结构18包括第一层20、位于第一层20的至少一部分下方的第二层30，以及位于第二层30的至少一部分下方的第三层40。第一层20包括耐火材料(例如氧化铝耐火材料)，第二层30包括耐火材料(例如氧化铝耐火材料或氧化镁耐火材料)，第三层40包括适合用作冶金容器例如中间包10中的安全衬的耐火材料。适合用作冶金容器中的安全衬的耐火材料的示例包括但不限于耐火粘土、氧化铝耐火材料、氧化镁耐火材料、铬耐火材料或氧化锆耐火材料，或其任意组合。
用作中间包10中的安全衬的第三层40可以作为耐火砖或耐火面板(可选地经砂浆砌合)的组装件或作为整体耐火层施加在中间包壳体12中。在具有整体耐火第三层40的实施方式中，可以利用本领域已知的技术例如通过喷涂、抹涂、喷补、铸造或振动(例如干式振动)施加耐火材料而使第三层40就位。第一层20和第二层30可以包括整体耐火层，可以利用本领域已知的技术通过喷涂、抹平、喷补、铸造或振动(例如干式振动)将所述整体耐火层施加在第三层40上而使第二层30和第一层20就位。
仍然参照图1a至图1d，耐火内衬结构18还包括细长膨胀缝50，所述细长膨胀缝50形成在第一层20的第一表面22中，并且从中间包10的底板表面11远离朝向中间包10的边缘13沿着基本垂直的方向延伸穿过第一层20的第一表面22。底板表面11相当于位于中间包10的底板14上的工作衬20’的熔融金属接触表面。图1a至图1d所示的细长膨胀缝50延伸到中间包10的侧壁16上的第一层20的整个高度。然而，应当理解，细长膨胀缝50可以延伸小于第一层20的整个高度(例如，参见下面描述的图5a至6b)。此外，虽然在中间包10的四个相交侧壁16中的每一侧壁上示出了两个或更多个细长膨胀缝50，但是应当理解，冶金容器的每个侧壁都可以包括至少一个细长膨胀缝(例如，参见下面描述的图13、图14、图15a和图15b)。细长膨胀缝也可以位于冶金容器中不同侧壁的交叉处(例如，参见图13)。
参照图1c，在连续铸造工艺的操作期间，中间包10容纳钢水60。钢水60从钢包(未示出)通过钢包长水口62被引入中间包10中(箭头64表示钢水60的流动)。钢水60通过钢包砖66中的开口68从中间包流出，进入连铸模具(未示出)中。中间包10中的钢水60覆盖在第一层20的第一表面22中形成的细长膨胀缝50，直到略低于渣线65(为了清楚起见未示出渣)。
图2a和2b示出了图1a至图1d所示的中间包10的部分。耐火内衬结构18的第一层20包括从中间包10的侧壁16背离的第一表面22以及与该第一表面相对并面向中间包10的侧壁16的第二表面24。第二层30包括从中间包10的侧壁16背离的第一表面32以及与该第一表面相对并面向中间包10的侧壁16的第二表面34。第三层40包括从中间包10的侧壁16背离的第一表面42以及与该第一表面相对并面向中间包10的侧壁16的第二表面44。
第一层20的第一表面22是中间包10中的熔融金属接触层。第一层20的第二表面24接触第二层30的第一表面32。第二层30的第二表面34接触第三层40的第一表面42。第三层40的第二表面44沿着中间包侧壁16接触中间包壳体12的面向内的表面。
细长膨胀缝50在中间包10的侧壁16上的耐火内衬结构18的第一层20的第一表面22中形成。细长膨胀缝50延伸穿过第一层20的整个厚度至深度尺寸(dj)。如图2b所示，细长膨胀缝50的深度尺寸(dj)是第一层20厚度的100％(即，与第一层20的厚度同等延伸)，并且从第一层20的第一表面22延伸到第一层20的第二表面24。因此，如图2a所示，第二层30的第一表面32透过细长膨胀缝50而部分地暴露。细长膨胀缝50的深度尺寸(dj)可以小于第一层20厚度的100％(例如，参见下面描述的图4a和图4b)，可以在第一层20厚度的1％-100％范围内。例如，细长膨胀缝50的深度尺寸(dj)可以独立地为第一层20厚度的至少25％、至少50％或至少75％。尽管未示出，但是应当理解，细长膨胀缝50的深度尺寸(dj)可以大于第一层20厚度的100％。例如，细长膨胀缝50的深度尺寸(dj)可以延伸穿过第二层30的第一表面32，并因此部分地延伸穿过第二层30的厚度。
仍然参照图2a和图2b，细长膨胀缝50从中间包10的底板表面11远离朝向中间包10的边缘13沿着基本垂直的方向延伸。细长膨胀缝50延伸到中间包侧壁16上的第一层20的整个高度达到垂直高度尺寸(hj)。因此，细长膨胀缝50的垂直高度尺寸(hj)是第一层20的第一表面22的垂直高度尺寸的100％(即，与第一层20的第一表面22的垂直高度尺寸同等延伸)。细长膨胀缝50的垂直高度尺寸(hj)可以小于第一层20的第一表面22的垂直高度尺寸的100％(例如，参见下面描述的图5a至图6b)。例如，细长膨胀缝50的垂直高度尺寸(hj)可以独立地为第一层20的第一表面22的垂直高度尺寸(h1)的至少25％、至少50％或至少75％。
注意，细长膨胀缝的垂直高度尺寸是沿着垂直轴(定义为垂直于水平面的轴)测量的。因此，细长膨胀缝的垂直高度尺寸可以不同于细长膨胀缝的长度(如上所述，其用于计算细长膨胀缝的纵横比)。例如，冶金容器的侧壁上向外斜置且因此不垂直于该冶金容器底板的细长膨胀缝将具有大于其垂直高度尺寸的长度。同样，具有非线性轮廓的细长膨胀缝也将具有大于其垂直高度尺寸的长度。
如图2a所示，细长膨胀缝50具有与第一层20的第一表面22基本平行的水平宽度尺寸(wj)。水平宽度尺寸(wj)可以在1mm(0.04英寸)到1830mm(72英寸)的范围内，或在包含在其中的任何子范围内，例如1-100mm(0.04-4英寸)、5-50mm(0.20-2.00英寸)、5-25mm(0.20-1.00英寸)或5-13mm(0.20-0.51英寸)。
如上所述，已观察到在中间包预热过程中，上覆的耐火工作衬比下方的耐火背衬和/或安全衬膨胀得更多，这可能导致形成薄弱点、开裂、分层和剥落。更具体地说，已观察到在预热操作期间，上覆的耐火工作衬可以线性膨胀至少1％。因此，为了有效地适应热膨胀，至少在一些实施方式中，在耐火内衬结构的第一层(工作衬)中形成的沿着基本垂直的方向延伸的一个或多个细长膨胀缝应当具有水平宽度尺寸以便为第一层(工作衬)每254cm(100英寸)的水平尺寸提供2.54cm(1英寸)的线性膨胀。换句话说，在耐火内衬结构的第一层(工作衬)中形成的一个或多个细长膨胀缝的水平宽度尺寸之和与包含细长膨胀缝的第一层的总水平尺寸之比应当为至少0.01(在第一层的第一表面与中间包或其它冶金容器的底板表面的交叉处测量)。
再次参考图1b、图1d和图2a，在中间包10的四个侧壁16中的每一侧壁上，细长膨胀缝50(参见图2a)的水平宽度尺寸(wj)之和与第一层20的第一表面22(参见图1b和图1d)的总水平尺寸(w1)之比为至少0.005：
其中在每个中间包侧壁16上第一层20的第一表面22包含“n”个细长膨胀缝，每个细长膨胀缝具有水平宽度(wj)，并且每个细长膨胀缝基本上垂直地延伸；并且其中在每个侧壁16上第一层20的第一表面22的总水平宽度尺寸(w1)是在第一表面22与底板表面11的交叉处进行测量。因此，对于包括多个相互连接的侧壁的冶金容器(中间包10具有四个侧壁16：包含六个细长膨胀缝的两个侧壁，以及包含两个细长膨胀缝的两个侧壁，参见图1a和图1d)，宽度比特征可以适用于多个侧壁中的至少一个，并且在一些实施方式中，适用于所有组成侧壁。
宽度比可以是至少0.005、0.010、至少0.015、至少0.020、至少0.025或至少0.030。例如，对于第一层的第一表面的每152cm(60英寸)的水平尺寸2.54cm(1英寸)的水平膨胀而言，0.017的宽度比提供了足够空间；对于第一层的第一表面的每102cm(40英寸)的水平尺寸2.54cm(1英寸)的水平膨胀而言，0.025的宽度比提供了足够空间。宽度比必须小于1(宽度比1相当于细长膨胀缝具有延伸到第一层的第一表面的总水平尺寸(w1)的宽度)。宽度比可以小于1、小于0.90、小于0.75、小于0.50、小于0.25、小于0.15、小于0.10或小于0.05。宽度比可以在0.005至小于1的范围内，或在包含在其中的任何子范围中，例如，0.010-0.500或0.010-0.100。
如图2a所示，每个细长膨胀缝50与相邻的细长膨胀缝50间隔开水平间距(sj)。每个细长膨胀缝50之间的水平间距(sj)可以是一致的或独立地相异。每个细长膨胀缝50可以与相邻的细长膨胀缝50间隔2.54cm(1英寸)的最小水平间距(sj)。如上所述，细长膨胀缝50的数量、每个细长膨胀缝50之间的水平间距(sj)和每个细长膨胀缝50的水平宽度尺寸(wj)可以一起进行配置，以提供至少0.010的宽度比。
在第一层(工作衬)被施加到第二层上之后，通过将缝切割到第一层中，可以在第一层(工作衬)的第一表面中形成细长膨胀缝。例如，可以使用锯、轧机或其它合适的切割装置在第一层中以给定的长度、深度尺寸、垂直高度尺寸、水平宽度尺寸、轮廓、横向形状和取向将细长膨胀缝切割到第一层的第一表面中。
或者，可以使用牺牲或以其它方式可移除的插入件或间隔件在第一层(工作衬)的第一表面中形成细长膨胀缝。例如，参照图3，在第三层40(例如，用作安全衬)和第二层30(例如，用作脱渣壳分离层)之后，可以将牺牲或以其它方式可移除的插入件/间隔件55定位在第二层30的第一表面32上。该牺牲/可移除的插入件/间隔件55具有与细长膨胀缝50的尺寸和三维形状至少部分地对应的尺寸和三维形状。然后，可以例如通过喷涂、抹平、喷补、铸造或振动(例如干式振动)将第一层20施加到第二层30的第一表面32上并且围绕牺牲/可移除的插入件/间隔件55从而使第一层20就位。
插入件/间隔件55可以由牺牲材料制成，例如木材、塑料、纸板、胶合板、刨花板、定向刨花板或其它可分解性材料，当施加层被加热到相对高的温度(例如，至少700°f(371℃))时，所述牺牲材料在干燥操作期间分解。在干燥操作期间，牺牲插入件/间隔件55可以热解或以其它方式挥发(即燃尽)，在第一层20中留下凹痕，从而形成细长膨胀缝50。
插入件/间隔件55可以由非牺牲材料制成，例如金属，其在干燥操作期间不分解，条件是第一层的材料(例如氧化铝耐火材料)没有牢固地粘附到非牺牲材料，以便插入件/间隔件55可以从第一层20物理地移除，从而在第一层20中留下凹痕，并由此形成细长膨胀缝50。如果“湿”层具有足够的内聚力和结构完整性足以在干燥操作期间保持由插入件/间隔件55形成的凹痕，则可以在施加形成第一层20的材料之后并且在随后的干燥操作之前移除可移除的插入件/间隔件55；否则，插入件/间隔件55可以在干燥操作完成之后或在干燥操作的至少一部分之后被移除。
如上所述，细长膨胀缝50的深度尺寸可以小于第一层20厚度的100％。如图4a和图4b所示，细长膨胀缝50延伸到中间包侧壁16上的第一层20的第一表面22的整个高度，但仅延伸穿过第一层20的厚度的一部分。参照图4b，细长膨胀缝50的深度尺寸(d)从第一层20的第一表面22延伸到第一层20的凹陷表面23。第二层30的第一表面32保持由第一层20的介于第一层20的凹陷表面23和第一层20的第二表面24之间的厚度部分覆盖。细长膨胀缝50的深度尺寸(d)可以在第一层20厚度的1％至小于100％范围内。例如，细长膨胀缝50的深度尺寸(d)可以独立地为第一层20厚度的至少25％、至少50％或至少75％。
如上所述，细长膨胀缝50的垂直高度尺寸可以小于第一层20的第一表面22的垂直高度尺寸的100％。如图5a和图5b所示，细长膨胀缝50延伸穿过第一层20的整个厚度(尽管可以理解，细长膨胀缝50可以延伸穿过第一层20的厚度的部分，如上面结合图4a和图4b所述)，但是仅延伸到中间包侧壁16上的第一层20的第一表面22的高度的一部分。细长膨胀缝50具有垂直高度尺寸(hj)，中间包侧壁16上的第一层20的第一表面22具有垂直高度尺寸((h1)，其中hj<h1。细长膨胀缝50的垂直高度尺寸(hj)可以独立地为第一层20的第一表面22的垂直高度尺寸的至少25％、至少50％或至少75％(即，hj/h1≥0.25、hj/h1≥0.50或hj/h1≥0.75)。细长膨胀缝50从中间包10的底板表面11远离朝向中间包10的边缘13沿着基本垂直的方向延伸，但是细长膨胀缝50从高于底板表面11的点处延伸到低于边缘13的点处。
图6a和图6b示出了耐火内衬结构18的另一个示例，所述耐火内衬结构18包括细长膨胀缝50，所述细长膨胀缝的垂直高度尺寸(hj)小于第一层20的第一表面22的垂直高度尺寸(h1)的100％，即hj<h1。如图6a和图6b所示，细长膨胀缝50延伸穿过第一层20的整个厚度(尽管理解，细长膨胀缝50可以延伸穿过第一层20的厚度的一部分，如上面结合图4a和图4b所述)，但是仅沿着中间包侧壁16上的第一层20的第一表面22的高度的位于底板表面11和渣线65之间的部分延伸(参见图1c，如上所述)。
图7a和图7b示出了耐火内衬结构18的示例，所述耐火内衬结构18包括细长膨胀缝50，所述细长膨胀缝50包括在底板表面11下方延伸的部分51，所述底板表面11相当于位于中间包底板14上的工作衬20’的熔融金属接触表面。例如，当使用牺牲/可移除的插入件/间隔件(参见图3中的插入件/间隔件55)，并且例如通过喷涂、抹平、喷补、铸造或振动(例如干式振动)围绕牺牲/可移除的插入件/间隔件施加形成第一层20的材料和底板工作衬20’而使第一层20和底板工作衬20’就位时，可以形成膨胀缝50的底板下部分51。
除了包括沿着基本垂直的方向延伸的至少一个细长膨胀缝之外，耐火内衬结构还可以包括在第一层的第一表面中形成并沿着水平方向延伸的至少一个细长膨胀缝。水平延伸的细长膨胀缝70在图8中示出，与基本垂直延伸的细长膨胀缝50相交。水平延伸的细长膨胀缝70可以延伸到第一层20的第一表面22的整个水平长度，或者延伸到第一层20的第一表面22的水平长度的一部分。尽管在图8中示出了一个水平延伸的细长膨胀缝70，但是应当理解，在根据本说明书的耐火内衬结构中在第一层的第一表面中可以形成两个或多个水平延伸的细长膨胀缝。此外，尽管水平延伸的细长膨胀缝70在图8中示出为平行于水平轴线定向，但是应当理解，根据本说明书的耐火内衬结构可以包括基本水平延伸的细长膨胀缝，其中所述缝相对于水平轴线斜置高达45°。根据本说明书的耐火内衬结构还可以包括具有非线性轮廓的基本水平延伸的细长膨胀缝，所述非线性轮廓例如是折线轮廓或曲线轮廓(例如具有弧形、正弦波形或样条形)。
上面描述的细长膨胀缝被示出为具有基本垂直的线性轮廓(即，垂直线性轮廓)。然而，根据本说明书的耐火内衬结构可以包括具有其它轮廓和/或取向的基本垂直延伸的细长膨胀缝。例如，如图9所示，细长膨胀缝50可以具有基本垂直的线性轮廓，所述线性轮廓对角地取向穿过第一层20的第一表面22(即，对角线轮廓)。细长膨胀缝50可以在第一层20的第一表面22的平面中相对于基本垂直的轴线57形成从大于零到45°的对角θ。
根据本说明书的耐火内衬结构还可以包括具有非线性轮廓的基本垂直延伸的细长膨胀缝，所述非线性轮廓例如是折线轮廓(参见图10)或曲线轮廓(例如，具有弧形(如图11所示)、正弦波形或样条形)。图12示出了具有结合对角线和曲线的轮廓的基本垂直延伸的细长膨胀缝50。因此，根据本说明书的耐火内衬结构可以包括细长轮廓，该细长轮廓选自由垂直线、对角线、折线和曲线及其任意组合组成的组。
本说明书中描述的发明包括冶金容器，所述冶金容器包括如上所述的耐火内衬结构。冶金容器可以包括底板以及从该底板沿着基本垂直的方向延伸的侧壁。如上所述，耐火内衬结构可以位于冶金容器的侧壁的至少一部分上。冶金容器可以包括配置用于连续铸造操作的中间包，其中该中间包包括至少四个相交侧壁。如上所述，耐火内衬结构可以位于四个侧壁中的至少一个侧壁的至少一部分上。尽管上述中间包10包括呈矩形平面取向的四个侧壁，但是应当理解，耐火内衬结构可以与不同的中间包设计一起使用。
例如，如图13所示，如上所述的耐火内衬结构可以用于具有八个侧壁116的t形中间包110中。耐火内衬结构118可以在侧壁116处位于中间包110的外壳112上。基本垂直延伸的细长膨胀缝150在第一层的第一表面122中形成，并且也在八个侧壁116的交叉处形成。尽管未示出，但是耐火内衬结构118可以不存在于一些侧壁116中，例如，邻近冲击垫176的侧壁116，和/或细长膨胀缝可以不存在于八个侧壁的一些或全部交叉处。
图14示出了具有六个侧壁216的三角型中间包210。耐火内衬结构218可以在侧壁216处位于中间包210的外壳212上。在第一层的第一表面222中形成基本垂直延伸的细长膨胀缝250(并且其还任选地可以在六个侧壁216中的一个或多个侧壁的交叉处形成，未示出)。尽管未示出，但是耐火内衬结构218可以不存在于一些侧壁216处，例如邻近冲击垫276的侧壁216。
上述附图中所示的细长膨胀缝被图示为在每个冶金容器中取向一致，并且具有一致的尺寸和形状(即细长轮廓和横向(横截面)形状)。然而，应当理解，在包括上述耐火内衬结构的任何给定冶金容器中，细长膨胀缝的形状、尺寸、取向、数量和间距可以因膨胀缝而异。例如，参照图15a和图15b，中间包310包括壳体312和耐火内衬结构318。中间包310包括底板部分314和侧壁部分316。耐火内衬结构318包括第一层320、位于第一层320的至少一部分下方的第二层330以及位于第二层330的至少一部分下方的第三层340。如上所述，第一层320、第二层330和第三层340各自独立地包括耐火材料。还应注意，可以省略第二层330，使第一层320直接位于第三层340上，在这种情况下，耐火内衬结构318包括两层结构，该两层结构仅包括第一层和第二层。
仍然参照图15a和图15b，耐火内衬结构318还包括细长膨胀缝350和350’，所述细长膨胀缝在第一层320的第一表面322中形成，并且从中间包310的底板表面311远离朝向中间包310的边缘313沿着基本垂直的方向延伸穿过第一层320的第一表面322。底板表面311相当于位于中间包310的底板314上的工作衬320’的熔融金属接触表面。细长膨胀缝350和350’延伸到中间包310的侧壁316上的第一层320的整个高度。然而，应当理解，细长膨胀缝350和350’可以延伸小于第一层320的整个高度，如上所述。位于中间包310的长侧壁上的细长膨胀缝350’与位于中间包310的短侧壁上的细长膨胀缝350相比具有更大的水平宽度。
任何给定细长膨胀缝的深度和宽度尺寸以及横截面形状可以根据沿着细长膨胀缝的长度所在的位置而不同。此外，耐火内衬结构的组成层的厚度可以根据在给定冶金容器内的位置而变化。例如，在包括耐火内衬结构的中间包中，第一层(工作衬)在渣线上方可以比渣线下方更薄。替代地或附加地，第一层可以包括位于渣线周围的区域，所述区域与第一层的渣线上方和下方的部分相比更厚。同样，在一些实施方式中，第二层和/或第一层(工作衬)可以从中间包侧壁的部分(例如，渣线上方的部分)中省略。
尽管上文将耐火内衬结构描述为在用于钢连续铸造工艺中的中间包中，但是应当理解，耐火内衬结构可以用于其它用于铁基和非铁应用的冶金容器，例如钢包。同样，尽管上文结合图示双流中间包的附图描述了耐火内衬结构，但是应当理解，耐火内衬结构可以用于单流中间包或多流中间包(例如六流中间包)，其中每个中间包具有两个或多个座砖。此外，为了便于说明，上述附图中所示的中间包省略了中间包附件和其它中间包部件(例如坝、堰、挡板、溢流口、塞棒、滑动水口等)。然而，应当理解，包括上述耐火内衬结构的中间包还可以包括中间包附件、其它中间包部件，并且具有非平面和/或不连续的底板表面。
实施例
实施例1：
对配置用于连续铸造钢并且具有预安装耐火安全衬(第三层)的中间包以1-2英寸厚的
干燥施加的
在将高氧化铝工作衬喷补在
胶合板插入件/间隔件在干燥序列过程中被完全燃尽，形成0.375英寸宽的细长膨胀缝，所述细长膨胀缝基本上垂直地延伸穿过第一层的表面。先前切割的0.25英寸宽的细长膨胀缝被重新切割成0.375英寸宽度。对由燃尽的胶合板插入件/间隔件形成的细长膨胀缝也用0.375英寸宽的锯进行重新切割，以确保所有细长膨胀缝的深度延伸穿过第一层的整个厚度。在所有四个中间包侧壁的大约中间高度处，围绕中间包的周边，穿过所有四个中间包侧壁上的第一层的表面，还切割出0.375英寸宽的水平膨胀缝。
对中间包进行2000°f预热操作约14小时后，第一层表现出最少的可观察到的开裂并且没有可观察到的分层或剥落。将经预热的中间包用于钢连续铸造期，之后将中间包冷却，并且使中间包中的残余钢凝固而形成渣壳。在连续铸造期中，整个第一层保持粘附于中间包侧壁。将经冷却的中间包倒置，在重力作用下渣壳脱落。第三层(安全衬)没有受损，这表明细长膨胀缝没有损害第一层和第二层的屏蔽和隔离效果。
本发明的方面
本发明的各个方面包括但不限于以下编号的条款。
1.一种用于冶金容器的耐火内衬结构，包括：
第一层，具有从冶金容器的侧壁背离的第一表面以及与所述第一表面相对并面向所述冶金容器的所述侧壁的第二表面，所述第一层包括第一耐火材料；
第二层，所述第二层位于所述第一层的至少一部分的下方，所述第二层具有从所述冶金容器的所述侧壁背离的第一表面以及与所述第一表面相对并面向所述冶金容器的所述侧壁的第二表面，所述第二层包括第二耐火材料，其中所述第一层的所述第二表面接触所述第二层的所述第一表面；以及
至少一个细长膨胀缝，所述至少一个细长膨胀缝在所述第一层的所述第一表面中形成，并且沿着基本垂直的方向延伸穿过所述第一层的所述第一表面。
2.根据条款1所述的耐火内衬结构，其中所述第一耐火材料和所述第二耐火材料独立地选自由氧化铝耐火材料、氧化镁耐火材料、铬耐火材料和氧化锆耐火材料及其任意组合组成的组。
3.根据条款1或2所述的耐火内衬结构，其中所述第一耐火材料包括氧化铝耐火材料，并且其中所述第二耐火材料包括氧化铝耐火材料、氧化镁耐火材料、铬耐火材料、氧化锆耐火材料或其任意组合。
4.根据条款1-3中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述第一耐火材料包括氧化铝耐火材料，并且其中所述第二耐火材料包括氧化镁耐火材料。
5.根据条款1-3中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述第一耐火材料和所述第二耐火材料都包括氧化铝耐火材料。
6.根据条款1-5中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝包括细长轮廓，所述细长轮廓选自由垂直线、对角线、折线和曲线及其任意组合组成的组。
7.根据条款1-6中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝具有大于0.05的纵横比。
8.根据条款1-7中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝具有至少0.1的纵横比。
9.根据条款1-8中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝具有至少50的纵横比。
10.根据条款1-9中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝具有至少75的纵横比。
11.根据条款1-10中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝具有至少100的纵横比。
12.根据条款1-11中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝的特征在于至少0.005的宽度比。
13.根据条款1-12中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝的特征在于至少0.010的宽度比。
14.根据条款1-13中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝的特征在于至少0.015的宽度比。
15.根据条款1-14中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝的特征在于至少0.025的宽度比。
16.根据条款1-15中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝的宽度尺寸在1mm(0.04英寸)至100mm(4英寸)的范围内。
17.根据条款1-16中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝的宽度尺寸在5mm(0.20英寸)至25mm(1英寸)的范围内。
18.根据条款1-17中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝具有从所述第一层的所述第一表面向所述第一层的所述第二表面延伸的深度尺寸，并且其中所述深度尺寸为所述第一层的厚度的至少50％。
19.根据条款1-18中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝的所述深度尺寸为所述第一层的厚度的100％，其中所述至少一个细长膨胀缝的所述深度尺寸从所述第一层的所述第一表面延伸到所述第一层的所述第二表面，并且其中所述第二层的所述第一表面部分地被所述至少一个细长膨胀缝暴露。
20.根据条款1-19中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述第一层的厚度和所述第二层的厚度独立地在1mm(0.04英寸)至65mm(2.6英寸)的范围内。
21.根据条款1-20中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述第一层的厚度和所述第二层的厚度独立地在25mm(1英寸)至50mm(2英寸)的范围内。
22.根据条款1-21中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝的垂直高度尺寸为所述第一层的所述第一表面的垂直高度尺寸的至少75％。
23.根据条款1-22中的任一项所述的耐火内衬结构，其中所述至少一个细长膨胀缝的垂直高度尺寸为所述第一层的所述第一表面的垂直高度尺寸的至少100％。
24.根据条款1-23中的任一项所述的耐火内衬结构，包括在所述第一层的所述第一表面中形成的多个细长膨胀缝，其中所述多个细长膨胀缝中的每一个都沿着基本垂直的方向延伸穿过所述第一层的所述第一表面，并且其中所述多个细长膨胀缝沿着水平方向彼此间隔最小2.54cm(1英寸)。
25.根据条款1-24中的任一项所述的耐火内衬结构，还包括在所述第一层的所述第一表面中形成并沿着基本水平的方向延伸穿过所述第一层的所述第一表面的细长膨胀缝。
26.根据条款1-25中的任一项所述的耐火内衬结构，还包括位于所述第二层的至少一部分下方的第三层，所述第三层具有从所述冶金容器的所述侧壁背离的第一表面以及与所述第一表面相对并且面向并接触所述冶金容器的所述侧壁的第二表面，所述第三层包括第三耐火材料，其中所述第二层的所述第二表面接触所述第三层的所述第一表面。
27.一种冶金容器，包括：
底板和从所述底板沿着基本垂直的方向延伸的侧壁；以及
位于所述冶金容器的所述侧壁的至少一部分上的如条款1-26中的任一项所述的耐火内衬结构。
28.根据条款27所述的冶金容器，其中所述冶金容器包括配置成用于连续铸造操作的中间包，其中所述中间包包括至少四个相交侧壁，其中所述耐火内衬结构位于所述至少四个侧壁的至少一部分上，并且其中在所述至少四个侧壁中的每一侧壁上的所述第一层的所述第一表面中形成至少一个细长膨胀缝，并且其中所述细长膨胀缝沿着基本垂直的方向延伸穿过所述第一层的所述第一表面。
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在本说明书中描述并在附图中示出了各种特征和特性，以提供对本发明的全面理解。应当理解，本说明书中描述的以及附图中示出的各种特征和特性可以以任何可操作的方式组合，而不管在本说明书中是否明确地以组合方式描述或示出这些特征和特性。发明人和申请人明确地意在将特征和特性的这些组合包括在本说明书的范围内，并且进一步意在要求保护特征和特性的这些组合并非向本申请增加新的主题。因此，对权利要求书可以进行修改，从而以任何组合的形式列举在本说明书中明确或内在描述的或以其它方式明确或内在地得到本说明书支持的任何特征和特性。此外，申请人保留修改权利要求书以明确放弃现有技术中可能存在的特征和特性的权利，即使在本说明书中没有明确描述这些特征和特性。因此，任何此类修改都不会构成向本说明书或权利要求书中增加新的主题，并且将符合对书面描述、充分描述和追加主题(addedmatter)的要求(例如，美国专利法第112(a)条和《欧洲专利公约》第123(2)条)。本发明可以包括本说明书中描述的各种特征和特性、由或基本上由本说明书中描述的各种特征和特性组成。
此外，本说明书中列举的任何数值范围包括列举的端点，并且描述包含在列举的范围内的具有相同数值精度(即，具有相同的指定位数)的所有子范围。例如，列举的范围“1.0至10.0”描述了在列举的最小值1.0和列举的最大值10.0之间(并且包括所述最小值和最大值)的所有子范围，例如，“2.4至7.6”，即使在说明书文本中没有明确描述“2.4至7.6”的范围。因此，申请人保留修改本说明书包括权利要求书的权利，以明确列举包含在本说明书明确列举的范围内的具有相同数值精度的任何子范围。在本说明书中内在地描述所有这些范围，使得修改以明确地列举任何这些子范围将符合对书面描述、充分描述和追加主题的要求(例如，美国专利法第112(a)条和《欧洲专利公约》第123(2)条)。
除非上下文另有说明或要求，否则本说明书中使用的语法冠词“一”、“一个”和“所述”旨在包括“至少一个”或“一个或多个”。因此，本说明书中所用的冠词是指冠词的一个或多于一个(即“至少一个”)语法对象。举例来说，“组分”是指一种或多种组分，因此，可能设想并可以在本发明的实施方式中使用多于一种的组分。此外，除非上下文的使用另有要求，单数名词的使用包括复数，而复数名词的使用包括单数。
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