一種控制金屬流體流動的板坯浸入式水口的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種控制金屬流體流動的板坯浸入式水口，包括耐火材料管、金屬液吐出口和控流棱錐；所述耐火材料管為圓筒形，上端開口底端封閉，在耐火材料管的側(cè)面距底部一定距離左右對稱分布兩個金屬液吐出口，所述控流棱錐設(shè)置在耐火材料管底部凹槽內(nèi)；通過不同凹槽深度以及控流棱錐的不同棱角數(shù)量、棱錐高度、棱錐底部邊長、底部邊間夾角和棱面上所刻流槽形狀的合理組合，達(dá)到對金屬液吐出口吐出的金屬液流動進(jìn)行調(diào)整，使其具有不同的流動狀態(tài)，從而有效的控制結(jié)晶器內(nèi)熔池及液面波動情況。
【專利說明】一種控制金屬流體流動的板坯浸入式水口
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種控制金屬流體流動的板坯浸入式水口，屬于冶金連鑄設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]連鑄結(jié)晶器是提高鋼的產(chǎn)量和質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)。在連鑄過程中，鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的行為對鑄坯品質(zhì)有決定性的影響。通常情況下，鋼液從中間包經(jīng)過浸入式水口進(jìn)入結(jié)晶器，在結(jié)晶器內(nèi)完成初始凝固過程，形成具有一定厚度的凝固殼。由于進(jìn)入結(jié)晶器的高溫鋼液具有較大的動能，所以對卷渣、凝固傳熱、結(jié)晶器內(nèi)的溫度場分布、凝固殼厚度分布都有重要影響，從而最終影響到連鑄坯的品質(zhì)。
[0003]鋼液由浸入式水口注入結(jié)晶器，從水口側(cè)孔射出的流股沿水口傾角方向沖擊至結(jié)晶器窄面，由于沖擊作用，流股在沖擊結(jié)晶器窄面時分為上、下兩流股，分別形成上、下回流區(qū)。這兩個流股對夾雜物的上浮、液面波動和溫度場分布有著重要的影響，兩者的相對強(qiáng)度具有相互矛盾又相互約束的關(guān)系。若從浸入式水口流出沖向鑄坯窄面的流股太強(qiáng)，會由于沖刷作用，使窄面坯殼不均勻生長，影響坯殼的傳熱，導(dǎo)致產(chǎn)生角部縱裂紋，嚴(yán)重時甚至造成漏鋼；同時若沖擊角度或是其他原因使得沿窄面向上流股動量太強(qiáng)，引起了彎月面區(qū)域液面波動偏大，液渣滲入困難，導(dǎo)致彎月面區(qū)的不均勻傳熱，從而產(chǎn)生縱裂紋。過大的液面波動還會破壞了彎月面的穩(wěn)定凝固，易造成局部卷渣引起皮下夾渣等表面缺陷；但是若上股流太弱使得結(jié)晶器彎月面區(qū)表面流速太小或鋼水更新太慢，導(dǎo)致該區(qū)域鋼水溫度偏低，造成局部冷凝形成深振痕和彎月面區(qū)初生坯殼呈“鉤”狀，會捕捉渣滴、夾雜物和氣泡進(jìn)入凝固坯殼。相反，過強(qiáng)的向下流動不利于夾雜物和氣泡上浮，易造成鑄坯內(nèi)部或中心缺陷?？傊?，鑄坯缺陷形成與結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動行為密切相關(guān)的。而影響鋼液流動行為主要因素有拉坯速度、電磁攪拌強(qiáng)度、水口插入深度、水口安裝方位、水口出孔面積比、水口出孔傾角、孔數(shù)、出孔形狀、水口內(nèi)腔結(jié)構(gòu)等。所以要獲得高質(zhì)量的鑄坯和提高生產(chǎn)率，應(yīng)從優(yōu)化調(diào)整各工藝參數(shù)和水口結(jié)構(gòu)參數(shù)入手，而水口的優(yōu)化是諸多因素中最簡單便捷的，所以設(shè)計和優(yōu)化結(jié)晶器水口結(jié)構(gòu)對于結(jié)晶器內(nèi)流場優(yōu)化和改善鑄坯質(zhì)量具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種控制金屬流體流動的板坯浸入式水口，能夠有效控制金屬流體在結(jié)晶器內(nèi)流動狀態(tài)。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明構(gòu)思如下:
對于水口的設(shè)計與優(yōu)化，目前主要集中于對水口入口形式、內(nèi)部流線形態(tài)、出口尺寸及角度等因素的調(diào)整。凹底水口之所以在底部有一定的凹槽深度主要作用是通過對入口股流的發(fā)射，抵消緩沖一部分入口股流的動量，使得入口股流在出水口時有較小的速度和理想的角度。本發(fā)明設(shè)想對凹底水口進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，在水口凹底部分增加一個不同形狀的棱錐，通過不同數(shù)量的棱及棱與底面的夾角來調(diào)整入口股流的反射方向及強(qiáng)度，從而調(diào)整金屬液體出水口時的沖擊強(qiáng)度及方向。
[0006]根據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種控制金屬流體流動的板坯浸入式水口，包括耐火材料管、金屬液吐出口和控流棱錐；所述耐火材料管為圓筒形，上端開口底端封閉，在耐火材料管的側(cè)面距底部一定距離左右對稱分布兩個金屬液吐出口，所述控流棱錐設(shè)置在耐火材料管底部凹槽內(nèi)；通過不同凹槽深度以及控流棱錐的不同棱角數(shù)量、棱錐高度、棱錐底部邊長、底部邊間夾角和棱面上所刻流槽形狀的合理組合，達(dá)到對金屬液吐出口吐出的金屬液流動進(jìn)行調(diào)整，使其具有不同的流動狀態(tài)，從而有效的控制結(jié)晶器內(nèi)熔池及液面波動情況。
[0007]所述耐火材料管內(nèi)徑Φ為40-150mm，底部凹槽深度H為5_25mm。
[0008]所述控流棱錐的棱錐高度H1為10_200mm。
[0009]所述控流棱錐為四棱錐，其棱錐邊長L1為25_70mm，棱底面兩邊的夾角Ci1為5-45。。
[0010]在所述四棱錐控流棱錐在棱錐面上所加凸棱為倒V形，凸棱底面兩邊夾角β !為
5-150° ,弦高 Ii1 為 5_50mm。
[0011]在所述四棱錐控流棱錐的棱錐面上所刻流槽為圓形，流槽底面直徑r為20-40mm，弦高為h2為20-30mm。
[0012]在所述四棱錐控流棱錐的棱錐面上所刻流槽為V字形，流槽底面兩邊夾角β 2為30-150。，槽高 h3 為 20-30_。
[0013]所述控流棱錐為六棱錐,其相鄰棱錐邊長L2和L3分別為25_50mm，棱底面兩邊的夾角Ci2為5-60°。
[0014]所述控流棱錐為圓錐，其底面圓直徑R為50_100mm。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下突出的實質(zhì)性特點和顯著的進(jìn)步:
設(shè)計簡單、易于實現(xiàn)；本發(fā)明是在原有凹底水口內(nèi)增加不同形狀的控流棱錐，用以優(yōu)化原有水口對流體的控制，達(dá)到理想的流場分布，其改進(jìn)水口結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)制造。成本低廉、易于快速用于工業(yè)生產(chǎn)；本發(fā)明對于連鑄結(jié)晶器內(nèi)流場的優(yōu)化僅僅通過對水口的改造來實現(xiàn)，不需要對連鑄工藝進(jìn)行大的調(diào)整，從而在實際應(yīng)用中造成生產(chǎn)事故風(fēng)險小。所以生產(chǎn)方可以快速的對生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)整，將本發(fā)明用于生產(chǎn)中，提高產(chǎn)品質(zhì)量。結(jié)構(gòu)靈活、可選方案全面；本發(fā)明中可以通過對不同棱錐的控制因素及水口的參數(shù)進(jìn)行組合，實現(xiàn)對結(jié)晶器內(nèi)上回流區(qū)及下回流區(qū)的分布進(jìn)行調(diào)整，依據(jù)生產(chǎn)需要，提供結(jié)晶器內(nèi)不同的流態(tài)分布。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明浸入式水口的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明四棱錐形控流棱錐俯視圖。
[0018]圖3為本發(fā)明四棱錐加凸臺俯視圖。
[0019]圖4為本發(fā)明四棱錐面刻圓弧流槽俯視圖。
[0020]圖5為本發(fā)明四棱錐面刻V型流槽俯視圖。
[0021]圖6為本發(fā)明六棱錐形控流棱錐俯視圖。
[0022]圖7為本發(fā)明圓錐形控流棱錐俯視圖。
[0023] 圖8為本發(fā)明控流棱錐對流場影響計算結(jié)果云圖。[0024]圖9為本發(fā)明控流棱錐對流場影響計算結(jié)果矢量圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
如圖1所示，一種控制金屬流體流動的板坯浸入式水口，包括耐火材料管1、金屬液吐出口 2和控流棱錐3 ;所述耐火材料管I為圓筒形，上端開口底端封閉，在耐火材料管I的側(cè)面距底部一定距離左右對稱分布兩個金屬液吐出口 2，所述控流棱錐3設(shè)置在耐火材料管I底部凹槽內(nèi)；通過不同凹槽深度以及控流棱錐3的不同棱角數(shù)量、棱錐高度、棱錐底部邊長、底部邊間夾角和棱面上所刻流槽形狀的合理組合，達(dá)到對金屬液吐出口 2吐出的金屬液流動進(jìn)行調(diào)整，使其具有不同的流動狀態(tài)，從而有效的控制結(jié)晶器內(nèi)熔池及液面波動情況。
[0026]實施例1
如圖2所示，控流棱錐3為在底部凹槽內(nèi)放置一個邊長為L1為40mm，高度為H1為70mm的四棱錐，其中棱錐的兩個棱角與水口側(cè)面金屬液體吐出孔中心線對中。為了保證水口內(nèi)部流動的對稱性，沿著相互垂直的兩條對角線兩邊棱體完全對稱。當(dāng)以上條件確定時，改變棱底面兩邊的夾角\從5°變到45°時，棱錐的形狀將隨之發(fā)生變化，同時對入射股流的反射面的角度也發(fā)生變化，使得入射股流經(jīng)過棱錐反射后，改變原有的流態(tài)，從而出水口后在結(jié)晶器內(nèi)形成不同形態(tài)的流場。在分別改變棱底邊長L1及棱錐高度H1的情況下，棱錐對入射股流的反射情況將發(fā)生相應(yīng)的變化。由此，通過對水口內(nèi)徑Φ、封閉的凹底深度H、棱底邊長L1、棱錐高 度H1、棱底面兩邊的夾角α !等不同因素的調(diào)整組合，可以產(chǎn)生不同的金屬流體出口狀態(tài)，可按照生產(chǎn)要求，調(diào)整結(jié)晶器內(nèi)的流場分布情況，生產(chǎn)出質(zhì)量良好的鑄坯。
[0027]實施例2
如圖3所示，控流棱錐3為在底部凹槽內(nèi)放置一個高度為H1為70_、邊長分別為L1為40mm的四棱錐，其中棱錐的兩個棱角與水口側(cè)面金屬液體吐出孔中心線對中。四棱錐沿著出口中心面及其垂直面完全對稱。在棱錐的四個面上，分別添加一個倒V形的凸臺，其底面高度Ii1為30mm、兩底棱間夾角為β i為60°。當(dāng)以上條件確定時，改變棱底面兩邊的夾角a i從5°變到60°時，棱錐的形狀將隨之發(fā)生變化，同樣對入射股流的反射面的角度也發(fā)生變化，使得入射股流經(jīng)過棱錐反射后，改變原有的速度和方向，從而出水口后在結(jié)晶器內(nèi)形成不同形態(tài)的流場。在水口內(nèi)徑Φ、封閉的凹底深度H、棱底邊長L1、棱錐高度H1、棱底面兩邊的夾角Q1及倒V形凸臺高度h及兩底棱間夾角P1等因素中使一個因素變化，其他因素固定，會產(chǎn)生不同形狀的棱錐，從而產(chǎn)生不同的反射面角度及高度，產(chǎn)生不同的金屬流體出口狀態(tài)。
[0028]實施例3
如圖4所示，控流棱錐3為在底部凹槽內(nèi)放置一個邊長為L1為40mm、高度為H1為70mm的四棱錐，并在四棱錐四個側(cè)面上刻上半徑為r為15mm，弦高為匕為IOmm的圓形流槽。其中棱錐的兩個棱角與水口側(cè)面金屬液體吐出孔中心線對中。為了保證水口內(nèi)部流動的對稱性，沿著相互垂直的兩條對角線兩邊棱體完全對稱。在此種情況下，水口內(nèi)徑Φ、封閉的凹底深度H、棱底邊長1^、棱錐高度H1、棱底面兩邊的夾角a 1、流槽半徑r、弦高h(yuǎn)2為控制因素，變化其中某一因素都可以使得控流凸臺產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生不同的金屬流體出口狀態(tài)及不同的結(jié)晶器內(nèi)流場分布情況。
[0029]實施例4
如圖5所示，控流棱錐3為在底部凹槽內(nèi)放置一個邊長為L1為40mm、高度為H1為70mm的四棱錐，并在四棱錐四個側(cè)面上刻上夾角@2為60°時，高匕為15mm的V形流槽。為了保證水口內(nèi)部流動的對稱性，沿著相互垂直的兩條對角線兩邊棱體完全對稱。在此種情況下，水口內(nèi)徑Φ、封閉的凹底深度H、棱底邊長L1、棱錐高度H1、棱底面兩邊的夾角αι、V形流槽夾角β2，高h(yuǎn)3為控制控流棱錐的主要因素，變化其中某一因素都可以使得控流棱錐產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生不同的金屬流體出口狀態(tài)及不同的結(jié)晶器內(nèi)流場分布情況。
[0030]實施例5
如圖6所示，控流棱錐3為在底部凹槽內(nèi)放置一個高度為H1為70_、邊長分別為L2為40mm、L3為40mm的六棱錐，其中棱錐的兩個棱角與水口側(cè)面金屬液體吐出孔中心線對中。六棱錐沿著出口中心面及其垂直面完全對稱。當(dāng)以上條件確定時，改變棱底面兩邊的夾角%從5°變到60°時，棱錐的形狀將隨之發(fā)生變化，同樣對入射股流的反射面的角度也發(fā)生變化，使得入射股流經(jīng)過棱錐反射后，改變原有的速度和方向，從而出水口后在結(jié)晶器內(nèi)形成不同形態(tài)的流場。在分別改變棱錐底面邊長L2、L3及棱錐高度H1的情況下，棱錐對入射股流的反射情況將發(fā)生相應(yīng)的變化。由此，通過對水口內(nèi)徑Φ、封閉的凹底深度H、棱底邊長L2、L3、棱錐高度H1、棱底面兩邊的夾角α 2等不同因素的調(diào)整組合，可以產(chǎn)生不同的金屬流體出口狀態(tài)。
[0031]實施例6
如圖7所示，控流棱錐3為在底部凹槽內(nèi)放置一個高度為H1為70mm、直徑為R為40mm的圓錐。當(dāng)以上一個條件確定時，在水口內(nèi)徑Φ、封閉的凹底深度H的條件下，使另一個因素變化，棱錐的形狀將隨之發(fā)生變化，同樣對入射股流的反射面的角度也發(fā)生變化，使得入射股流經(jīng)過棱錐反射后，改變原有的速度和方向，從而出水口后在結(jié)晶器內(nèi)形成不同形態(tài)的流場。
[0032]對實施例1的情形進(jìn)行數(shù)值模擬，選用在浸入式水口內(nèi)徑Φ為72mm、底部凹槽深度H為15mm、吐出孔寬高為60X90mm、傾角為向下15°的基礎(chǔ)上,增加一個高度H1為30mm、L1為30mm、a i為90°的正四棱錐。連鑄板坯規(guī)格為1260 X 220mm，拉速為1.15m/min。確定以上參數(shù)的基礎(chǔ)上，用Fluent對凹水口底部加控流棱錐及不加棱錐的情況進(jìn)行模擬計算，參見附圖8、9。增加控流四棱錐后，結(jié)晶器內(nèi)流場發(fā)生明顯變化，在此棱錐控制因素條件下，顯著增加上回流區(qū)的活躍程度。這樣可以使得結(jié)晶器彎月面區(qū)表面流速增大或高溫鋼水更新變快，對該區(qū)域鋼水溫度有足夠的補(bǔ)充，不至于造成化渣不良、潤滑不良，同時不易產(chǎn)生局部冷凝形成深振痕和彎月面區(qū)初生坯殼呈“鉤”狀，會捕捉渣滴、夾雜物和氣泡進(jìn)入凝固坯殼，使得連鑄坯產(chǎn)生缺陷。
【權(quán)利要求】
1.一種控制金屬流體流動的板坯浸入式水口，其特征在于，包括耐火材料管(I)、金屬液吐出口(2)和控流棱錐(3);所述耐火材料管(I)為圓筒形，上端開口底端封閉，在耐火材料管(I)的側(cè)面距底部一定距離左右對稱分布兩個金屬液吐出口(2)，所述控流棱錐(3)設(shè)置在耐火材料管(I)底部凹槽內(nèi)；通過不同凹槽深度以及控流棱錐(3)的不同棱角數(shù)量、棱錐高度、棱錐底部邊長、底部邊間夾角和棱面上所刻流槽形狀的合理組合，達(dá)到對金屬液吐出口(2)吐出的金屬液流動進(jìn)行調(diào)整，使其具有不同的流動狀態(tài)，從而有效的控制結(jié)晶器內(nèi)熔池及液面波動情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制金屬流體流動的板坯浸入式水口，其特征在于，所述耐火材料管(1)內(nèi)徑Φ為40-150mm，底部凹槽深度H為5-25mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制金屬流體流動的板坯浸入式水口，其特征在于，所述控流棱錐(3)的棱錐高度H1為10-200mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的控制金屬流體流動的板坯浸入式水口，其特征在于，所述控流棱錐(3)為四棱錐，其棱錐邊長L1S 25-70mm，棱底面兩邊的夾角a i為5-45°。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制金屬流體流動的板坯浸入式水口，其特征在于，在所述控流棱錐(3)在棱錐面上所加凸棱為倒V形，凸棱底面兩邊夾角β1為5-150°，弦高匕為5-50mmo
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制金屬流體流動的板坯浸入式水口，其特征在于，在所述控流棱錐(3)的棱錐面上所刻流槽為圓形，流槽底面直徑r為20-40mm，弦高為h2為20-30mmo
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制金屬流體流動的板坯浸入式水口，其特征在于，在所述控流棱錐(3)的棱錐面上所刻流槽為V字形，流槽底面兩邊夾角02為30-150°，槽高匕為20-30mmo
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的控制金屬流體流動的板坯浸入式水口，其特征在于，所述控流棱錐(3)為六棱錐，其相鄰棱錐邊長L2和L3分別為25-50mm，棱底面兩邊的夾角α 2為 5-60° 。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的控制金屬流體流動的板坯浸入式水口，其特征在于，所述控流棱錐(3)為圓錐，其底面圓直徑R為50-100mm。
【文檔編號】B22D41/50GK103894596SQ201410107090
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】張捷宇, 徐鈞, 王波, 馮孔方, 白亮 申請人:上海大學(xué)