CN1478004A - 浸没式浇入水口及其应用 - Google Patents

Abstract

引导金属熔液从一个容器流入一个结晶器的水口，所述水口包括一个沿一轴线延伸的导管，所述轴线在使用期间内基本上垂直定向，该水口有至少一个上入口、至少两个相对轴线倾斜的下出口和至少一个大致沿轴向位于倾斜出口之间的下出口，倾斜出口的最小的横截面面积之和至少是一个或多个大致轴向定位的出口的最小的横截面面积之和的两倍。

Description

浸没式浇入水口及其应用

技术领域

本发明涉及引导金属熔液如钢水的水口。确切地说，本发明涉及钢材连铸法所用的所谓的浸没式浇入水口，有时也被称作浇口(管)。本发明也涉及用水口引导金属熔液的方法。

背景技术

在连铸炼钢作业中，金属熔液从钢包中被注入被称作中间包的大容器中。中间包有一个或几个出口，钢水经出口从中间包流入一个或几个相应的结晶器中，在结晶器中，钢水冷却并凝固而形成固体连铸金属坯。整体形状成细长导管(它通常有刚性管的外观)形式的浸没式浇入水口位于中间包和各结晶器之间并且引导钢水从中间包流过该水口地进入结晶器中。

理想的浸没式浇入水口的主要功能如下。首先，水口用来防止钢水在从中间包流入结晶器时接触到空气，因为空气会引起不理想的钢氧化。其次，人们非常希望水口能够尽可能顺畅无紊流地把钢水注入结晶器中，因为在结晶器中的紊流会使结晶器中钢水表面的熔剂被向下带入钢中(被称作夹带)，从而在铸钢中产生夹杂。结晶器中的紊流也破坏了结晶器侧壁的润滑状况。结晶器熔剂(除防止钢水面接触空气以外)的功能之一是，润滑结晶器侧壁以防止钢附着凝固到结晶器表面上。熔剂也有助于防止随之而来的在铸钢中形成表面缺陷。因此，对此目的很重要的是，借助浸没式浇入水口来尽可能减小紊流。另外，紊流可以在结晶器本身上产生应力，这带来损坏结晶器的危险。另外，结晶器中的紊流也可能在结晶器中引起不均匀的热分布，由此引起钢水不均匀凝固并也引起正在铸造的钢的质量和成分的变化。后者也涉及到浸没式浇入水口的第三个主要功能，即均匀地把钢水引入结晶器中以便形成均匀凝固的坯壳(最靠近结晶器壁区域的钢水凝固得最快)以及获得均匀的铸钢质量和成分。理想的浸没式浇入水口的第四个功能是减少或消除在结晶器中钢水的弯液面上出现的驻波振荡。钢水引入结晶器通常在钢水表面产生驻波，而在进入结晶器的钢流中的任何紊乱或振荡都可能引起驻波振荡。这种振荡可能具有与结晶器内紊流相似的作用，即结晶器熔剂被夹带到正浇注的钢水中并且破坏了由结晶器熔剂产生的结晶器侧壁的有效润滑状况并对结晶器中的热分布产生不利的影响。

人们将认识到，设计和制造尽可能出色地实现上述功能的浸没式浇入水口是一项非常富有挑战性的任务。水口不仅要被设计和制造成经得住与快速流动的钢水有关的压力和温度，而且在结晶器中均匀分布钢水的需要和同时抑制紊流的需要产生了非常复杂的流体动力学问题。

美国专利US5785880公开了一种其中下出口被分流器分成两个口的水口。水口的这种设计据称能够分散并减速钢水流并且也能沿出口长度和宽度提供大致均匀的流速分布。这种水口设计据称具有减小在结晶器钢水弯月面中的驻波振荡规模的效果。

是美国专利US5785880的延续部分的美国专利US5944261公开了一种浸没式浇入水口，其中两个出口本身都被一个挡板一分为二，即最大部分的钢水流通过两个中心口流出水口。据称，所述挡板的特殊形状和定位能够分散中心流并造成中心流在流出水口时与其各自的外流股重新汇合。据称，这样做的结果就是减小流出水口的钢水速度的降低以及在结晶器中产生的紊流的减少。

是美国专利US5944261的延续部分的美国专利US6027051公开了一种基于美国专利US5944261所述设计的变型方案，据称，钢水外流股的有效排流角度随流量而变。据称，这样做具有在整个流量范围内提供顺畅平静的弯液面的效果。

从对以上专利的考虑中最容易得到的结论之一就是，表面上次要的或甚至表面上无关紧要的浸没式浇入水口设计的变化都可能对流过并流出水口的钢水的流动方式产生显著影响。这是流体动力不规则性的结果，其中对传输流体的导管的微小设计变化都可能对流体的流动方式产生深远的影响，甚至可能完全改变流体流的性质。

发明内容

本发明试图提供一种尽可能出色地完成上述理想水口的主要功能的浸没式浇入水口。如下所述，本发明试图与上述专利的教导完全相反地实现此目的。

根据第一方面，本发明提供引导金属熔液从一个容器流入一个结晶器的水口，该水口包括一个沿一轴线延伸的导管，该轴线在使用期间内基本上垂直定向，该水口有至少一个上入口、至少两个相对轴倾斜的下出口和至少一个沿轴向大致位于倾斜出口之间的下出口，倾斜出口的最小的横截面面积之和至少是一个或多个大致轴向定位的出口的最小的横截面面积之和的两倍。

本发明第一方面具有这样的优势，即因为倾斜出口的最小的横截面面积之和至少是一个或多个大致轴向定位的出口的最小的横截面面积之和的两倍，所以流经水口的所有金属熔液中的流出倾斜出口的金属液部分通常明显多于流出大致轴向定位的出口的熔液的部分。最好，金属熔液总量中的至少55％流出倾斜出口，而不超过45％的金属液流出大致轴向定位的出口；更好的是，金属熔液总量的至少60％流出倾斜出口，而不超过40％的金属液流出大致轴向定位的出口。因为倾斜出口相对垂直线倾斜，所以流出这样的出口的金属熔液的速度的向下垂直分量小于垂直定向出口的流速。这具有减小进入结晶器的大量金属液的速度并因而减少在结晶器中产生的紊流的效果。这与美国专利US5944261和US6027051完全不同，这两篇文献的教导是，整个金属液流中的大部分应流过下(中心)出口，而小部分应流过上(外)出口，尤其是，55％-85％的金属液流要流出中心口，而15％-45％的金属液流要流出外出口。

例如，相对水口轴线倾斜的出口(即“外”出口或“侧”出口)可以基本上与水口轴线垂直，或者它们可以相对水口轴线向上倾斜(水口象在使用期间内那样定向口)。但是，倾斜出口最好相对水口轴线向下倾斜(水口象在使用期间内那样定向)。倾斜出口更好地是相对水口轴线向下倾斜40°-60°，最佳的是倾斜45°-55°，如倾斜约50°。

大致沿轴向位于倾斜出口之间的每个出口向着出口流出侧方向加宽。这具有减慢金属液流出出口速度并由此减小在结晶器中的金属熔液撞击并使结晶器中产生的紊流最小的优点。

在本发明的某些实施例中，设有至少两个(最好只有两个)大致沿轴向位于倾斜出口之间的出口并且它们最好都向着其流出方向加宽。对于其中设有两个这种出口的实施例来说，这些出口最好对称地位于水口轴线的相反侧上。

每个大致轴向定位的出口的轴线可以基本上与水口轴线同轴或与之平行。但是，对于其中设有多个大致轴向定位的出口的实施例来说，每个这样的出口的轴线最好相对水口轴线倾斜。这些出口可以有利地相对水口轴线向下倾斜0°-30°角，最好是5°-25°并最佳是10°-20°角，如约15°角。

最好这样确定倾斜出口以及大致轴向定位的出口的定向和间距，即流出大致轴向定位的出口的金属液流在使用期间内不与流出倾斜出口的金属液流汇合(除了在结晶器内的所有金属熔液的总混合)。

每个出口的最小横截面面积是各自出口轴线垂直测量的面积，并且倾斜出口的最小的横截面面积之和与大致轴向定位的出口的最小的横截面面积之和就是这样的测量值之和。如上所述，倾斜出口的最小的横截面面积之和至少是一个或多个大致轴向定位的出口的最小的横截面面积之和的两倍。倾斜出口的最小的横截面面积之和最好是至少为一个或多个大致轴向定位的出口的最小的横截面面积之和的三倍，最佳地是四倍。

在本发明的第一方面的优选实施例中，至少水口的倾斜出口沿其至少部分长度具有基本不变的横截面面积(与它们各自的轴线垂直)。在特别优选的实施例中，倾斜出口基本上在其最内端上有一个极限点，超出该极限点(在朝向其最外端的方向上)，每个倾斜出口的孔较宽。超过该极限点(所在处)，每个倾斜出口的孔的横截面面积最好基本上不变。

本发明的第二方面提供一个引导金属熔液从一个容器流入一结晶器中的水口，该水口包括一个沿一轴线延伸的导管，所述轴线在使用期间内基本上垂直定向，该水口有至少一个上入口、至少两个相对轴线倾斜的下出口，所述水口还包括一个大致沿轴向位于倾斜出口之间的容器，该容器有一个上开口并且通过基本上平行的和/或向着水口下末端收缩的侧壁限定出边界，该容器用于在其流出水口之前容纳在使用中流经水口的金属熔液部分。

本发明的第二方面具有这样的优势，即位于水口内的容器(在该其流出水口之前容纳流过水口的金属熔液部分)通常充当一个缓冲器，它阻尼了流过水口的金属液流速的振荡或波动。这具有减小(甚至至少在某些情况下基本上消除了)流出水口并流入结晶器的金属熔液的流速的波动或振荡的效果，由此减小了在结晶器的钢水弯月面中的驻波振荡的可能性。因此，这样做的优点是，通常显著抑制了结晶器熔剂被夹带到正铸造的钢水中、结晶器润滑状况的破坏和在结晶器中较差的热分布，这些缺点可能都是因驻波振荡而引起或加剧的。

通过容器的大致轴向放置以及容器形状即其侧壁基本平行和/或收缩，产生了在水口中的容器的阻尼效果。因为容器大致轴向地位于倾斜出口之间，所以它通常承受流过水口的金属熔液的主要部分的全部力并因为它有平行和/或收敛的侧壁，所以容器通常吸收它所接纳的金属熔液的动量的大部分。在本发明的某些实施例中，该容器可以包含一个或几个出口，流过水口的一些金属熔液可以经所述出口流出水口；在其它实施例中，该容器不包含这种出口并且除了它的上开口以外被完全封闭。但在任一个实施例中，容器的作用是这样的，即流出容器并流入倾斜出口的金属熔液通常是连续的，流出容器的金属熔液也可能影响到直接从水口的细长导管流入倾斜出口的金属熔液并由此阻尼了这部分金属液流速的变化。另外，对于那些容器本身包含一个或几个水口出口的本发明实施例来说，流出这些出口的金属熔液的流速的阻尼情况也是变化的。根据本发明第二方面的水口容器的构思和实践都与美国专利US5944261和US6027051的教导截然不同，其中设置用来将金属流流分成外流和内流的挡板有发散底面，以分散下液流。

容器最好由四道侧壁来限定。有利的是，至少两道侧壁朝向水口下端收敛并最好是所有侧壁都这样收敛。容器的两道相对侧壁最好是由水口本身的侧壁来形成；其它两道侧壁最好由位于水口内的结构来形成。最佳的是，后两道侧壁也由在倾斜出口中产生限制的结构来形成，如参照本发明第一方面所述的那样。

在本发明的最佳实施例中，本发明的第一和第二方面被结合在同一水口中。

容器最好是位于两个大致轴向定位的出口之上。容器的两道收敛侧壁最好由在各倾斜出口与大致轴向定位的出口之间确定分界点的结构来形成。

本发明的水口由耐火材料制成。耐火材料最好包括陶瓷材料，如碳键型陶瓷材料。碳键型陶瓷材料在本领域中是众所周知的并且技术人员能够选择制造本发明水口的适当材料。水口最好是通过等静压方式制成，这是形成碳键型陶瓷品的传统技术。

本发明的第三方面提供了一种用如本发明第一方面所述的水口来引导金属熔液从一个容器流入结晶器中的方法。

本发明的第四方面提供了一种用如本发明第二方面所述的水口来引导金属熔液从一个容器流入结晶器中的方法。

附图说明

现在，举例并参考附图来描述本发明，其中：

图1是本发明水口的立体示意图；

图2是图1所示水口的俯视图；

图3是沿图2的线3-3截取的纵截面图；

图4是沿图2的线4-4截取的横截面图；

图5是沿图3的线5-5截取的横截面图；

图6只示出了不同的通道结构的与图5相似的视图；

图7、8是分别沿图3的线7-7和8-8截取的横截面图；

图9是图3所示水口的横截面示意图，该水口如图所示地如此位于一结晶器中，即其出口被浸没(在结晶器中低于金属熔液平面)。

具体实施方式

这些图显示了一个如本发明所述的水口10，该水口在使用期间内包括一个沿一个基本上垂直定向的轴线延伸的导管11，水口10有一个上入口12、两个相对轴线倾斜的下出口17和两个大致沿轴向位于倾斜出口17之间的下出口23。倾斜出口的最小的横截面面积之和约为大致轴向定位的出口23的最小的横截面面积之和的四倍。位于大致轴向定位的出口23之上和基本上轴向位于这两个倾斜出口17之间的是一个容器45。容器45有一个上开口21并且由朝向水口下端13地收敛的侧壁14、36限定出边界。容器45容纳在其流出水口10之前在使用中流过水口的金属熔液部分。

水口10大体上包括三个部分。水口的上部有基本成横截面为圆形的管状，其最上端终止于入口12处。在上部的下方，一个中部11在一个与水口轴线平行的平面内向外扩展并且在一个正交面内变平。在中部11的下方是一个包括出口17、23及容器45的下部16。

导管11在底部附近如总体由符号16所示地向外扩展，从而限定出两个各有一个排放中心点18的外排放出口17和一条穿过假定中心点18的假定中心线，它与水平线成“α”角度，如图3所示。角度“α”最好约为35°-45°，而角度“α”的补角(中心线与延伸方向15所成角度)约为45°-55°。

水口10也包括一个整体由符号20表示的在外排放口17之间的结构，它限定出一个整体由符号45表示的容器。容器45有足够大的容积并且如此形成和定位，即它稳定了从出口17(和其它此后要描述的出口)排出的金属液流。例如，对于水口10总长度22约为50.8cm-76.2cm(20英寸-30英寸)的一个实施例来说，容器45可以具有约16.39立方厘米-32.77立方厘米(1立方英寸-2立方英寸)的容积。

水口10在底部13也有至少一个并最好是两个各有一个排放中心点2的4出口23和至少一个金属熔液传输通道25，它从容器45延伸向每个出口23，图3示出了两条这样的通道25。

这两条通道25最好由一个分流器28(见图3)和结构20构成。所述分流器28和结构20如此限定出通道25，即它们从纵向15起向外发散，从而例如穿过其中心点24的假定中心线与水平线成约70°-80°的“β”角(相反地，与纵向15成约10°-20°)。角度“β”和“α”最好相差至少约30°，另外，如此构成水口10，即自外出口17排出的金属液流不与经出口23排出的金属液流混合。

尽管部件13可以被制成独立于导管11，但它最好与之成一体，例如所有部件由耐火材料铸成。

为加强水口10的作用，它最好具有一个如整体由美国专利US5205343和5402993和德国专利申请公开19505390和4319195所述的结构，其中在顶部12与通道14的中心部分之间存在着形状的变化并且存在着横截面尺寸增大。即，可能有一个导管11的第一部分31和一第二部分32，第一部分如图2、3所示地具有基本成圆形的横截面，第二部分(见图3、4)的用于通道14的横截面面积比用于第一部分31的横截面面积大并具有不同的横截面面积。例如，如图5所示，通道14在第二部分32中可能有基本成矩形的横截面，或如图6所示，通道14可能有基本成椭圆形(包括流道)的结构。水口10的第三部分33(见图3、4)在底部13附近具有导管11的向外扩展的部分16。

图7、8示出了刚好在容器45之上且实际上就在容器45处的水口10的横截面例子。尽管图7、8中的容器45如图所示地具有基本成矩形的横截面，这是因为开口通向出口17，但也可以形成其它横截面，其中包括椭圆形(包括流道)或其它除矩形外的多边形。

包括结构20的限定出容器45的那部分的侧壁36最好向着通道25倾斜或有弧度。限定出容器45的结构20部分的外侧部分27是倾斜的或(如图3所示)有弧度的，以帮助正确引导金属液流过出口17。

最好相对导管11、结构20、相互之间和容器45来如此确定出口17、23的尺寸和位置，即流过通道14的金属熔液的约55％-80％(最好是约60％-70％)经外出口17流出水口10。同样，流过通道14的金属熔液的约20％-45％(最好是约30％-40％)经内出口23流出水口10。

图9示意表示图1-8的水口10，它被用于把金属熔液(如钢水)引入一个结晶器40(如一个板坯连铸机)的方法中，结晶器40有一个在那里形成的金属液液面41。水口10位于容器40内(使用任何传统的定位机构)，从而使所有出口17、23都位于液面41之下，然后，金属熔液被引入水口以便向下流动。传统塞子43可以控制金属熔液从一个中间包44或其它容器流入水口10顶部12并随后进入一台板坯连铸机的结晶器40(或其它容器)中的流速。然后，使金属熔液在内出口23之上且最好在外出口17的中心点18之上的如图3所示的金属接收容器45中形成一个熔液液池45，它基本上与通道14同心，以便稳定流过出口17、23的金属熔液。然后，金属液流出出口17、23地流入容器40中。如此实施该方法，即金属熔液的约55％-80％(最好是约60％-70％)经外出口17流出水口10，而金属熔液的约20％-45％(最好是约30％-40％)经内出口23流出。金属熔液最好以与水平线成约70°-80°的“β”角度流出内出口23，而以与水平线成约35°-45°的“α”角度流出外出口17。

同样，最好这样实施该方法，即，使流出内出口23的金属熔液的速度基本上在流出水口10之后立即显著降低(如，与刚进入容器44前的金属熔液的速度相比至少降低50％)，并且使流出这两个内出口23的金属液流在到达容器40底部46之前重新汇合。如此实施该方法，即流出内出口23的金属液流不与流出外出口17的金属液流汇合，从而保证了当前引入的金属熔液与已在容器40内的金属熔液的更好混合。同样，如此实施该方法，即流出出口17、23的金属熔液的流动角度基本上不随增加的流量而变(即在优选实施例中，经出口17的角度一直在与水平线成约60°-70°的范围内并且不随流量而变)，尽管流出出口17、23的金属熔液的平均流速基本上与流量增量成正比地提高了。

虽然在此已经示出和描述了目前被认为是最实用和最优选的本发明实施例，但对本领域普通技术人员来说，在本发明范围内进行许多修改是显而易见的，本发明的保护范围应遵照附属权利要求书的最宽泛的解释，以便包含所有等同的结构和方法。

Claims (21)

1、引导金属熔液从一个容器流入一个结晶器的水口，所述水口包括一个沿一轴线延伸的导管，所述轴线在使用期间内基本上垂直定向，所述水口有至少一个上入口、至少两个相对轴线倾斜的下出口和至少一个大致沿轴向位于倾斜出口之间的下出口，该倾斜出口的最小的横截面面积之和至少是一个或多个大致轴向定位的出口的最小的横截面面积之和的两倍。

2、如权利要求1所述的水口，其特征在于，在使用期间内，总金属液流量的至少55％流出倾斜出口，而不超过45％的金属液流流出大致轴向定位的出口。

3、如权利要求2所述的水口，其特征在于，在使用期间内，总金属液流量的至少60％流出倾斜出口，而不超过40％的金属液流流出大致轴向定位的出口。

4、如先前权利要求之一所述的水口，其特征在于，所述倾斜出口的最小的横截面面积之和至少是一个或多个大致轴向定位的出口的最小的横截面面积之和的三倍。

5、如先前权利要求之一所述的水口，其特征在于，所述倾斜出口相对水口轴线向下倾斜40°-60°角。

6、如先前权利要求之一所述的水口，其特征在于，每个大致轴向定位在倾斜出口之间的出口朝向出口流出方向加宽。

7、如先前权利要求之一所述的水口，其特征在于，在所述倾斜出口之间，只有两个大致轴向定位的出口，它们基本上对称地位于水口轴线的相反侧上。

8、如先前权利要求之一所述的水口，其特征在于，每个大致轴向定位在倾斜出口之间的出口相对水口轴线向下倾斜5°-25°角。

9、如先前权利要求之一所述的水口，其特征在于，所述倾斜出口沿的至少部分长度有基本上不变的截面面积。

10、如先前权利要求之一所述的水口，其特征在于，每个倾斜出口大致在它的最内端上有一个极限点，超出此极限点，在朝想它最外端的方向上，所述出口的孔比在此极限点处宽。

11、引导金属熔液从一个容器流入一个结晶器的水口，所述水口包括一个沿一轴线延伸的导管，所述轴线在使用期间内基本上垂直定向，所述水口有至少一个上入口、至少两个相对轴线倾斜的下出口，所述水口进一步包括一个大致沿轴向位于倾斜出口之间的容器，所述容器有一个上开口并且通过基本平行的和/或向着水口下端收敛的侧壁限定出边界，所述容器容纳在其流出水口之前在使用中流经水口的金属熔液部分。

12、如权利要求11所述的水口，其特征在于，所述容器的至少两道侧壁向着水口下端收敛。

13、如权利要求11或12所述的水口，其特征在于，所述容器由四道侧壁限定出边界。

14、如权利要求13所述的水口，其特征在于，所述容器的所有四道侧壁向着水口下端收敛。

15、如权利要求11-14之一所述的水口，其特征在于，所述容器位于两个大致轴向定位的出口之上。

16、如权利要求11-15之一所述的水口，其特征在于，所述倾斜出口的最小的横截面面积之和至少是大致轴向定位的出口的最小的横截面面积之和的两倍。

17、如权利要求11-15之一所述的水口，其特征在于，所述倾斜出口的最小的横截面面积之和至少是大致轴向定位的出口的最小的横截面面积之和的四倍。

18、如权利要求11-17之一所述的水口，其特征在于，所述倾斜出口相对水口轴线向下倾斜40°-60°角。

19、如权利要求11-18之一所述的水口，其特征在于，每个大致沿轴向定位在倾斜出口之间的出口朝向出口流出方向加宽。

20、如权利要求11-19之一所述的水口，其特征在于，每个大致沿轴向定位在倾斜出口之间的出口相对水口轴线向下倾斜0°-30°角。

21、使用如先前权利要求之一所述的水口来引导金属熔液从一个容器中流入一个结晶器的方法。

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