冲击垫
技术领域
本发明涉及一种耐火制品,其在本领域中已知为用于处理熔融金属(特别是钢)的“冲击垫”。本发明特别涉及放置在中间包中用于减少进入中间包的熔融钢流中的湍流的冲击垫。本发明在钢的连续铸造中特别有用。
背景技术
中间包充当所述熔融金属的保持罐,特别是在钢的连续铸造工业化过程中充当熔融钢的保持罐。在钢的连续铸造中,供给中间包的熔融钢流通常是高等级钢,其已经历了使之适合特定铸造应用的多步骤处理。这些步骤通常涉及例如一个或多个步骤以控制钢中存在的各种元素的水平,例如碳或其它合金成分的水平,以及诸如渣的污染物的水平。钢在中间包中的停留给任何夹渣及其它杂质提供了进一步的机会以分离并浮到表面上,在那里它们可以例如被吸入熔融钢的表面上设置的特殊保护层。因此,中间包可用于在将钢供给到用于铸造的结晶器之前对其进行进一步的“清洁”。
为了优化中间包对结晶器连续提供清洁钢供给的能力,控制通过中间包的钢流并使之流线化是非常可取的。熔融钢流通常是从钢水包经由保护钢流免受周围空气影响的水口供给到中间包的。来自钢水包的熔融钢流通常以相当大的力进入中间包,并且这样会在中间包自身内部产生相当大的湍流。通过中间包的熔融钢流中的任何过度的湍流都有许多不利的影响,包括例如:阻止钢中的渣及其它不良夹杂物聚集并浮至表面;将形成或特别设置在熔融钢表面上的保护壳的一部分夹带到熔融钢里;将气体夹带到熔融钢里;造成中间包内的耐火衬里过度腐蚀;以及对铸造结晶器产生不均匀的熔融钢流。
为了克服这些问题,工业上已经着手进行了大量有关冲击垫的各种设计的研究,用以减少中间包中由进入的熔融钢流所产生的湍流,并在其穿过中间包时优化中间包内的流以尽可能地接近熔融钢流理想的“柱塞流”特征。一般来说,已经发现通常可使用具有特殊设计表面的冲击垫改进熔融钢通过中间包的流动,所述特殊设计的表面能够重新引导熔融钢流并使之流线化。
柱塞流特性(即,钢的连续部分通过中间包而没有显著的混合)要求在熔融钢流向撤离(经过)冲击垫后远离中间包出口。从冲击垫到中间包出口存在相当部分的流,在中间包中的停留时间最短,这种现象被称为“短路”。现有技术中公开的冲击垫通常的设计已特别注意了对所产生的流的向上引导的部件。中间包中停留时间的增加以及停留时间均匀性的增加对应于混合的最小化,并使得连续的钢配方能够在保持其各自组成的情况下通过中间包。
现有技术中公开的冲击垫通常包括基座和垂直侧壁或侧壁元件,其中基座被用来向下引导熔融钢流撞击,所述垂直侧壁或侧壁元件用于重新引导钢流方向。它们是由耐火材料制造的,所述耐火材料能够在其使用寿命期间耐受熔融钢流的腐蚀和侵蚀作用。它们经常被成形为浅盒的形式,具有例如方形、矩形、梯形或圆形的基座。
要理解的是,设计符合特定的预定标准的新型中间包冲击垫的过程是极其复杂的,因为改动冲击垫设计的一个方面通常对整个中间包***的流体动力学有不可预见的后果。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的冲击垫,其适合放置在中间包中,用于增加引入其中的熔融金属流的停留时间、诱导停留时间的均匀性并最大限度地减少短路。
本发明提供由耐火材料形成的中间包冲击垫,包括:具有冲击面的基座,所述冲击面在使用时向上面对进入中间包的熔融金属流;围绕冲击面的周边的至少一部分从基座向上延伸的壁,所述壁具有在某些实施方案中的纬向部分、经向部分,以及从壁的纬向部分突出的向内延伸的结构。在本发明的某些实施方案中,向内延伸的结构可采取突出部的形式,所述突出部的宽度可小于壁的纬向部分的范围(extent)。在其中突出部的宽度小于壁的纬向部分的范围且存在壁的经向部分的实施方案中,在壁的经向部分与突出部表面的相邻部分之间形成流道。
本发明也可以被描述为由耐火材料形成的中间包冲击垫,包括:具有冲击面的基座,所述冲击面在使用时向上面对进入中间包的熔融金属流;和围绕冲击面的周边的至少一部分从基座向上延伸的壁,基座和壁限定出内部,垫具有经向中央最小范围,壁具有经向部分和纬向部分,所述经向部分具有内部、内范围和内长度,所述纬向部分具有内部、内范围和内长度,其中壁的经向部分的内范围大于垫的经向中央最小范围,且其中壁的纬向部分的内长度大于壁的纬向部分的内范围。壁的内范围是从壁的内部的一端到另一端的直线测量值;壁的内长度是沿壁的内表面从壁的一端到另一端的距离。
本发明也可以被描述为具有基座和从基座向上延伸的纬向壁的中间包冲击垫。冲击垫的区别特征在于,在壁高度没有任何变化的情况下,在跨越纬向壁的顶部时,在壁的纬向部分中央部分流体的流速显示出最小值。
壁可围绕基座的周边部分地延伸,或者可以围绕基座的整个周边延伸。在其中壁围绕基座的整个周边延伸的实施方案中,壁具有均匀的高度。壁可以是垂直的,或者可以偏离垂直面呈1度至30度范围内的角度,包括1度和30度。
壁上部的一个或多个部分可支撑在基座周边的上方向内伸出的一个或多个悬突部。
突出部可采取肩状物的形式,借此突出部可从壁的经向部分以及从壁的纬向部分突出。
可以按多种方式构造和布置突出部。突出部可以位于纬向壁上的中央处,或者可以设置成偏离纬向壁的中央。在一个实施方案中,突出部的内表面以大于90度的角度与壁的纬向部分的内部相交。突出部的内表面可完全由平表面构成,可包括至少一个四边形表面,可包括一个或多个矩形表面,可完全由矩形表面构成,可具有圆筒的径向表面的形式,或者可具有抛物线型的水平截面。突出部宽度与突出部高度之比可以为1或更大,可具有0.8至1.5范围内的值,包括0.8和1.5,或者可具有0.8至2范围内的值,包括0.8和2。突出部宽度与冲击垫的纬向壁的内范围之比可以在0.1至1的范围内,包括0.1和1。突出部范围与突出部宽度之比可以在0.3至3的范围内,包括0.3和3。突出部的内表面可以是垂直的,或者可以与垂直面呈1度至30度范围内的角度,包括1度和30度。突出部的高度可等于壁的纬向部分与其接触的部分的高度,或者与纬向壁部分的高度比可在0.3至1的范围内,包括0.3和1。
突出部的内表面和壁的经向部分的内表面可会合以形成流道,所述流道具有底面(floor),并具有远离冲击垫的中心的端部。流道的远端可以被部分地封阻;水平方向上的流动可以被部分或完全地阻挡,并且悬突部可部分地阻挡垂直方向上的流动。突出部的内表面和壁的经向部分的内表面可相交或者可不相交。由突出部的内表面和壁的经向部分的内表面所形成的角度可朝流道的远端减小。角度的减小可以是连续的或渐增的。流道的底面可随着其朝流道的远端延伸而高度增加。流道的底面可与冲击垫的冲击面形成小于180度的角度;此角度可以在110度至160度的范围内,包括110度和160度,可以在115度至155度的范围内,包括115度和155度,可以在120度至150度的范围内,包括120度和150度,或者值可以为115、120、125、127、130、135、140、145、150或155度。
冲击垫的基座可具有任意合适的形状,例如为多面体形状,如方形、矩形、梯形、菱形、六边形、八边形、圆形或椭圆形。
基座的冲击面适于接受进入中间包的金属流的主要力。其可以是例如平面、凹面或凸面的。如果需要的话,可采用任意合适的方法将基座本身固定于中间包的基座,例如使用耐火水泥,或者通过借助于形成在中间包的耐火衬里的表面和冲击垫的下侧中的相应元件来定位基座。可将冲击垫嵌入中间包的耐火基座。这可通过以下的方式来实现,例如,将冲击垫放置在中间包的整体耐火衬里上,放置一层冷固化或热固化的耐火粉末以包围基座及任选冲击垫的部分外壁,然后固化耐火材料以将冲击垫结合在中间包中的适当位置。
围绕冲击面周边的至少一部分从基座向上延伸的壁可由与基座相同的材料制成,并且可与之成为一体。围绕冲击面周边的至少一部分从基座向上延伸的至少一个壁可具有从基座的相对周边部向上延伸的镜像对应壁。
在冲击垫拟用于所谓的“两坯”操作的情况下,壁可围绕基座的整个周边延伸。壁可相对于基座基本上垂直地延伸。因此,基座的线性周边部分可支撑垂直平面壁部分,而基座的弯曲部分可支撑具有相应弯曲的水平截面的垂直壁。
在冲击垫具有矩形或梯形形状的基座且拟用于所谓的“单坯”操作的情况下,壁可围绕基座的三个侧面延伸,第四侧面要么没有壁,要么具有相对较低的壁。可以构造冲击垫,使之具有单个向内延伸的结构;在使用时,可将冲击垫安装在中间包中,使得向内延伸的结构定向于靠近中间包出口。
壁的上部的一个或多个部分可支撑基座周边的上方向内伸出的一个或多个悬突部。悬突部的形式可以为从壁向内伸出的内周边带状物。周边带状物可从壁的顶部伸出。
在冲击垫主要设计用于双坯操作的情况下,悬突部(例如周边带状物)可以被省略,可以沿壁长度的至少50%、至少75%或沿壁长度的100%设置。在冲击垫主要设计用于单坯操作的情况下,悬突部(例如周边带状物)可以被省略,可以沿壁长度的50%至100%或60至80%设置。
用于单坯操作的冲击垫可具有单个突出部,其位置将邻近单个中间包出口。这种构造可具有位置邻近单个中间包出口的一个流道或两个流道。对于两坯操作,冲击垫可具有位置邻近各中间包出口的一个或多个流道,即,在相对的纬向壁上。
悬突部的上表面可以为平整的表面。如果需要的话,上表面可具有与下表面的轮廓相匹配的轮廓,例如以提供至少在被弯曲或倾斜部分占据的部分中具有基本上均匀厚度的悬突部。
壁与冲击面(即,基座的上表面)之间的接合处可采取尖角的形式,例如直角或锐角或钝角,或者可以是圆的或弯曲的。
可采用本领域中熟知用于形成耐火成形制品的标准模制技术制造根据本发明的冲击垫。如果需要的话,可以将冲击垫制成两个或更多个单独的部件,然后可以将它们接合在一起以形成最终的制品,或者可以制成整体结构(即,作为单个一体的制品形成一个整件)。
制造冲击垫的耐火材料可以为能够在其整个工作寿命期间耐受熔融金属流的侵蚀和腐蚀作用的任意合适的耐火材料。合适材料的例子为耐火混凝土,例如基于一种或多种粒状耐火材料和一种或多种合适粘结剂的混凝土。适合制造冲击垫的耐火材料是本领域中熟知的,例如氧化铝、氧化镁以及它们的化合物和组合物。同样地,合适的粘结剂是本领域中熟知的,例如高氧化铝水泥。
可制造根据本发明的冲击垫供以单坯、两坯或多坯模式操作的中间包使用。如本领域中熟知的那样,以单坯和多坯(三角形中间包)模式操作的连续铸钢过程通常采用具有方形、矩形或梯形截面(在水平面中)的冲击垫,其中提供的一对相对的侧面具有同样高度的壁,第三侧面也具有壁,并且第四侧面要么具有较低的壁,要么没有壁。在双(或有时的四重或六重)坯技术中,冲击垫通常具有方形或矩形截面,其中提供第一对相对的侧面具有同样高度的壁,第二对相对的侧面也为同样的高度(其可与第一对的高度相同或不同)。在单坯和多坯操作中,冲击垫通常设置在靠近中间包的一端到其中熔融钢出口坐落的区域的一侧,而在双坯操作中,冲击垫通常设置在矩形中间包的中心,两个出口坐落在冲击垫的相对的侧面上(或者在四重坯操作中,两对出口坐落在相对的侧面上,或者在六重坯操作中,三对出口坐落在相对的侧面上)。
根据本发明的冲击垫可用于,例如提供减少死体积和/或改进柱塞流和/或减少用于保持熔融钢的中间包中的湍流。
附图说明
现在将参考附图对本发明进行描述,其中:
图1是本发明的冲击垫的透视图;
图2是本发明的冲击垫的俯视图;
图3是本发明的冲击垫的透视图;
图4是本发明的冲击垫的俯视图;
图5是本发明的冲击垫的截面视图;
图6是本发明冲击垫的壁的内部的俯视图;
图7是本发明冲击垫的壁的内部的俯视图;
图8是本发明冲击垫的壁的内部的俯视图;
图9是以流经本发明冲击垫的纬向壁的熔融金属的流速与沿纬向壁的距离的函数关系绘制的曲线图;
图10是现有技术的冲击垫的透视图;
图11是包括冲击垫的多坯中间包的俯视图;
图12是在包括现有技术冲击垫的中间包中离开中间包的流体积与时间的函数关系的曲线图;以及
图13是在包括本发明冲击垫的中间包中离开中间包的流体积与时间的函数关系的曲线图。
具体实施方式
图1示出冲击垫10,其包括:具有向上面对内部的冲击面21的基座20;和从基座20向上延伸的壁22。壁22具有经向部分24和纬向部分26。突出部30从纬向部分26朝冲击垫的中心向内延伸。突出部高度32是冲击垫冲击面21与突出部30的顶部之间的距离。悬突部34从壁22的顶部水平向内延伸。
图2示出本发明的冲击垫10的俯视图。基座20具有冲击面21;壁22从冲击面21延伸。壁22由经向部分24和纬向部分26构成。一对突出部30各自从纬向部分26朝冲击垫的中心向内延伸。悬突部34从壁22的顶部水平向内延伸。纬向部分26的内部具有指示纬向部分的端点之间的直线距离的范围40。突出部宽度44指示突出部30与纬向壁部分26的两个交叉点之间的直线距离。突出部范围46指示突出部30同纬向壁部分26的交叉点与突出部30上离纬向壁部分26(包括悬突部34与突出部30直接接触的任何部分)最远的点之间的经向距离。流道50形成在由经向部分24的内部和突出部30的会合所产生的角度52以内。在本发明的此实施方案中,随着经向部分24和突出部30会合,突出部30的连续段与经向部分24的内部连续地形成较小的角度。在本发明的此实施方案中,经向部分24和突出部30不相交;而是,经向部分24和突出部30各自与冲击垫壁22的纬向部分26的内表面相交。角度53为突出部的内表面与壁的纬向部分26的内部相交的角度;在所示的实施方案中,该角度大于90度。
图3示出冲击垫10,其包括具有向上面对内部的冲击面21的基座20和从基座20向上延伸的壁22。壁22具有经向部分24和纬向部分26。突出部30从纬向部分26朝冲击垫的中心向内延伸。突出部高度32是冲击垫冲击面21与突出部30的顶部之间的距离。悬突部34从壁22的顶部水平向内延伸。流道50形成在由经向部分24的内部和突出部30的会合所产生的角度以内,并且在远离冲击垫内部的中心的端部部分地闭合。位于流道内的流上升道54是流道50的底面的一部分,其在朝流道的部分闭合端延伸时高度增加。
图4提供带有流上升道(flow riser)的本发明实施方案的俯视图。基座20具有冲击面21;壁22从冲击面21向上延伸。壁22由经向部分24和纬向部分26构成。一对突出部30各自从纬向部分26朝冲击垫的中心向内延伸。悬突部34从壁22的顶部水平向内延伸。流道50形成在由经向部分24的内部和突出部30的会合所产生的角度以内。在本发明的此实施方案中,随着经向部分24和突出部30会合,突出部30的连续段与经向部分24的内部连续地形成较小的角度。在本发明的此实施方案中,经向部分24和突出部30不相交;而是,经向部分24和突出部30各自与冲击垫壁22的纬向部分26的内表面相交。流道50在远离冲击垫内部的中心的端部部分地闭合。位于流道内的流上升道54是流道50的底面的一部分,其在朝流道的部分闭合端延伸时高度增加。
图5表示本发明的冲击垫10沿图4中的剖面线从的截面,本发明的冲击垫10包括基座20,其上设置有冲击面21。纬向壁部分26是从基座20向上延伸的壁的一部分。流道50与冲击垫10的内部连通。流道50的底面的一部分与冲击面21形成角度。此角度56在90至180度范围内,可以在110度至160度、120度至150度范围内,并且其值可例如为115、120、125、127、130、135、140、145、150或155度。
图6示出本发明冲击垫的壁的内部60的俯视图。本发明的某些实施方案的区别特征在于具有中央经向最小尺寸62,其是在相对的突出部30之间或者在突出部30与无突出的纬向部分26之间所测得的尺寸,使得经向最小尺寸62小于冲击垫壁22的内部经向范围42。本发明的某些实施方案的区别特征还在于具有中央纬向尺寸64和具有突出表面长度66的突出部30,所述中央纬向尺寸64是在相对的经向壁部分24之间所测得的尺寸,所述突出表面长度66是沿突出部的表面从突出部与纬向壁部分26的两个交叉点所测得的长度,使得中央纬向尺寸64小于突出表面长度66。在此图所示的实施方案中,突出部30的面向内部的表面由一系列相邻的矩形平表面构成。
图7示出本发明冲击垫的壁的内部60的俯视图。本发明的某些实施方案的区别特征在于具有中央经向最小尺寸62,其是在相对的突出部30之间或者在突出部30与无突出的纬向部分26之间所测得的尺寸,使得经向最小尺寸62小于冲击垫壁22的内部经向范围42。本发明的某些实施方案的区别特征还在于具有中央纬向尺寸64和具有突出表面长度66的突出部30,所述中央纬向尺寸64是在相对的经向壁部分24之间所测得的尺寸,所述突出表面长度66是沿突出部的表面从突出部与纬向壁部分26的两个交叉点所测得的长度,使得中央纬向尺寸64小于突出表面长度66。在此图所示的实施方案中,突出部30的面向内部的表面其形式为圆筒的径向表面的一部分。在此图所示的实施方案中,经向部分24的内部和突出部30的会合导致经向部分24与纬向壁部分26相交以及突出部30与纬向壁部分26相交,在交叉点处经向部分24的内表面和突出部30是平行的。
图8示出本发明冲击垫的壁的内部60的俯视图。在所描述的实施方案中,壁的经向部分24和纬向部分26均具有突出部。壁的内部经向范围42大于中央经向最小尺寸62。
图9描述的是对应在图1和2中描述的冲击垫的壁的纬向部分上方的纬向距离84绘制的流速80。在流道上方,流速增大。在突出部上方,流速减小。流动的模式显示出在流道上方的最大值86和突出部上方的局部最小值88。
图10是现有技术的冲击垫110的透视图。该垫包括基座112,其带有面朝上且面对冲击垫的内部的冲击面114。壁围绕基座的周边向上延伸。现有技术的冲击垫不包括来自纬向壁的突出部,并且不包括根据用于描述本发明的那些术语所定义的流道。
图11是铸造中间包120的平面图示。冲击垫130被放置在中间包中;布置进入中间包的熔融金属流,使得熔融金属流入冲击垫130。熔融金属从中间包流入成对的铸坯(casting strands)。铸坯132的出口到冲击垫130最近;铸坯134的出口离冲击垫130为中间距离;铸坯136的出口离冲击垫130的距离最远。
图12描述现有技术的冲击垫110的性能。构建根据图11的多坯中间包的模型,使得可使用含有示踪染料的水流来研究流动模式。在图12中报告的实验中介绍了根据图10的现有技术冲击垫的模型,并且用不含染料的水填充中间包模型。在零时刻将示踪染料的脉冲注入进口水流。此流冲击所述垫并分散在整个中间包当中。在水/染料混合物通过六个不同的出口同时离开中间包模型时,在三个位置处记录透光率值,每个位置对应于图11中描述的成对出口的出口之一。曲线图150指示透过水和示踪染料的混合物的光的值。在曲线图150上,零值的透光率指示不含染料的水。较高的透光率值指示混合物中较多的染料量。曲线图150中的纵坐标轴或垂直轴代表观察到的透光率值。曲线图150中的横坐标轴或水平轴代表从将示踪染料引入到***起的时间,单位为秒。
分析的结果示于图150。在位置132产生由曲线152所示结果的传感器位于离冲击垫的纬向壁的外部2.16英寸处。在位置134产生由曲线154所示结果的传感器位于离冲击垫的纬向壁的外部16.16英寸处。在位置136产生由曲线156所示结果的传感器位于离冲击垫的纬向壁的外部30.16英寸处。
对于现有技术的冲击垫110,在给定的时间,三条曲线当中的值存在很大的偏差。另外,对于由当曲线开始上升时的时间指示的最小停留时间(MRT)来说,其在位置132处非常短,而在位置136处长。
图13描述本发明的冲击垫10的性能,冲击垫10包括两个突出部、四个流道和在各流道中的流上升道。构建根据图11的多坯中间包的模型,使得可使用含有示踪染料的水流来研究流动模式。在图13中报告的实验中介绍了根据图1的冲击垫10的模型,并且用不含染料的水填充中间包模型。在零时刻将示踪染料的脉冲注入进口水流。此流冲击所述垫并分散在整个中间包当中。在水/染料混合物通过六个不同的出口同时离开中间包模型时,在三个位置处记录透光率值,每个位置对应于图11中描述的成对出口的出口之一。曲线图160指示透过水和示踪染料的混合物的光的值。在曲线图160上,零值的透光率指示不含染料的水。较高的透光率值指示混合物中较多的染料量。曲线图160中的纵坐标轴或垂直轴代表观察到的透光率值。曲线图160中的横坐标轴或水平轴代表从将示踪染料引入到***起的时间,单位为秒。
分析的结果示于图160。在位置132产生由曲线162所示结果的传感器位于离冲击垫的纬向壁的外部2.16英寸处。在位置134产生由曲线164所示结果的传感器位于离冲击垫的纬向壁的外部16.16英寸处。在位置136产生由曲线166所示结果的传感器位于离冲击垫的纬向壁的外部30.16英寸处。
用于产生图160中所描述的结果的冲击垫以这样的方式引导所述流,即使得在给定的时间三条曲线当中值的偏差比对于现有技术冲击垫所观察到的要显著地小。对于本发明,在位置132处的MRT大幅度增加,而同时在位置136处的MRT减少。这种效果使整个中间包模型当中的水/染料浓度的均匀性得到很大的提高。对于工业应用,MRT的均匀性使得在多坯中间包中一种等级的钢能够更快速地转变成另一等级的钢。
有可能对本发明进行多种修改和变化。因此要理解的是,在以下的权利要求范围内,可以按与具体描述不同的方式实施本发明。