CN100429323C - 出料管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于冶金熔液容器、例如转炉或电弧炉的出料管。

Description

出料管

技术领域

本发明涉及一种用于冶金的熔液容器的出料管。冶金熔液容器指这样一种设备，在其中可以生产、处理和/或运送冶金熔液，例如转炉或电弧炉。

背景技术

在此熔液容器中的金属熔液沿着出料管被引流到连接在后面的设备中。例如转炉中的钢经过一个盛钢桶被输送到一个连接在后面的连续铸造设备中。

金属熔液应尽可能无污染的进行运送。例如应避免与周围大气(氧气、氮气)的接触，同样应避免带走熔渣。

由EP 0 057 946 B1已知一种转炉出料设备，其在轴向上由多个耐火部件或垫片组成。入口侧的部件应具有漏斗状的通道，并且在出口侧的末端，出料管的通道应具有最小的直径。这种结构的出料管已在市场上销售了20年，并证明是可靠的。

对于在出口侧末端几何形状与DE 42 08 520 C2的说明相符的出料管同样证明是可靠的。这里对出口横截面的计算以相应的熔液的流动截面作为基础，更确切地说假定出料管上方的熔液高度取其平均值。

在转炉出料管中，金属熔液的高度(池槽深度)在出料过程中一般几乎不变，因为转炉随着出料时间变长会倾斜(跟踪)。但是特别在出料最后，池槽深度必然减小。这样熔渣随金属熔液一起流进出料管并通过出料管的危险就同时增加了。另外可能在出料管中形成涡流并造成低压。同时也增加了二次氧化和氮化的危险。

发明内容

本发明的任务是优化前面提及的出料管，使其在整个出料时间中保持所希望的(稳定的)质量流量，并避免熔渣被携带流动。“稳定”是指出料管的出料通道内的质量流量尽可能直至出料时间的最后仍不中断。同样应尽可能避免对氮气和氧气的吸收。最终该出料管的设计应为：与出料管磨损(在技术可接受范围内)无关，可以沿出料管运输尽可能均匀的质量流量。

按照DE 42 08 520 C2，熔液的流动截面可按照下面公式求得：

A(x)＝m/(ρ·(2gx)^1/2)。

其中：

A(x)＝到液面的距离为x处的必要的流动横截面积；

m＝熔液的质量流量；

g＝重力加速度＝9.81m/s²；

x＝选择的到液面的距离；

ρ＝熔液的密度。

在此仅仅由熔液流的加速度导致的横截面改变根据落差来加以考虑。为保证计算结果的一目了然和便于理解，此处及下述的计算中，对于影响如熔液粘度或壁体摩擦忽略不计或者说不考虑。

由此对某种特定熔液来说，在通道处于垂直位置、给定流量并且给定液面和出口端之间的距离的情况下，可以精确确定通道在出口端所需的直径。这一点可用一个例子来清楚的说明：

m＝700kg/s；

x＝2.7m；

ρ＝7.200kg/m³(对于钢而言)；

A(x＝2.7m)＝700/7.200·(2·9.81·2.7)^1/2＝0.01335m²。

由A＝d²·π/4可知，对于一具有圆形横截面的出料通道，出口处的出口直径可按下式计算：

d＝(A·4/π)^1/2，

d＝[(0.01335·4)/π]^1/2＝0.1304m。

但是对于出料通道在出口端给定的直径，流量及由此产生的流动截面的决定性着眼点是当前的池槽深度(熔液超出出料管出口端上方的高度)。

附图说明

图1示出了对于不同的池槽深度出料管的通道的横截面半径与距出口端的距离的关系；

图2示出了对于不同的池槽深度出料管的通道的横截面半径与距出口端的距离的关系；

图3示出了对于不同的池槽深度出料管的通道的横截面半径与距出口端的距离的关系；

图4示出了对于不同的池槽深度出料管的通道的横截面半径与距出口端的距离的关系；

图5示出了对于不同的池槽深度出料管的通道的横截面半径与距出口端的距离的关系。

具体实施方式

图1示例性地对不同池槽深度绘出了出料管的通道的圆形横截面的必需的半径与距出口端的距离的关系。其中出料管出口端定义为“0”，假定(新)出料管总长1.35米，且最大池槽深度为2.70米(从出口端计算)。熔池超出出料管入口的最大有效高度总计1.35米。在给定的流量条件下，图示所示的对应于最大的池槽深度(＝2700mm)的曲线标明了距出口端不同距离时，出料通道(出料管中的通道)理论上所必须的最小半径，从出口端65毫米的半径开始。其余的曲线则示出了在不同的池槽深度条件下，距出口端不同距离时，并且假定在出口端上具有相同的横截面(半径为65mm)时，出料通道在理论上所必须的最小半径。

可以看出，当出料管进料侧池槽深度介于2700毫米和2400毫米之间时，在出料管的入口区域中，80毫米半径的通道横截面已足够保证在出口端具有65毫米半径的出料管圆形横截面被熔液充满。

但是如果液面进一步下降，例如降低到同样在图中所示的最小池槽深度1600毫米(熔池超出出料管入口的有效高度现在是250毫米)，在保持出料管出口端具有相同横截面的情况下，在出料管的入口区域中，通道所必须的横截面半径大约在110毫米左右。

在DE 42 08 520 C2中，对于出料管几何设计，仅仅考虑了从30％到70％的液面范围。

从DE 42 08 520 C2可知，对上面已提到的示例，考虑最小液面为30％，磨损的出料管长度为750毫米，入口直径为75毫米。由此可知，DE 42 08 520 C2的技术方案导致出料管的通道在入口端过小。

相反本发明采用了完全不同的出料管通道几何结构。

池槽深度较小(超出出料管入口区域上方的金属熔液的有效高度小于最大值的30％)时，入口端必要的横截面较大，并且明显不同于根据DE 42 08 520 C2获得的横截面。

图2中曲线(1)再次示出了池槽深度1600毫米、出口横截面半径65毫米情况下所要求的出口通道纵向剖面(理论最小必要半径)。曲线(2)示出了根据现有技术的出料管(入口横截面半径80毫米)流动情况。由于相对于按照本发明所必需的入口横截面(半径110毫米)过小的入口横截面，在现有技术中会在出料管中导致对流束的强烈约束。在流束自由形成的情况下，这仅仅相应于出口端横截面半径为50毫米。因此在入口横截面下面的范围内，将不会再出现整个出料通道横截面全部被充满并用于熔液流出。其后果是前面曾提及的出料管中有更多的涡流和低压，并有将在熔液上浮动的熔渣一起冲走的危险。同时，沿管路产生的涡流也造成了流量的(进一步)减少，并必然延长出料时间。由此引起金属熔液的温度下降。因此有必要在后续处理阶段将熔液重新加热到所期望的温度水平，由此又带来额外的能量消耗。

本发明通过如下一种出料管的结构来避免涡流和维持出料通道内的致密的流束，使得在整个出料阶段，也就是即使在池槽深度很低(超出出料管入口端上方有效液面高度低于高度最大值的30％)时，整个出料通道完全被熔液充满。

本发明在其一般实施方式中包括一种用于冶金熔液容器的出料管，其在出口端和入口端之间沿轴向延伸的流动通道的通道横截面积A(y)符合以下关系：

$A\left(y\right)=A.\sqrt{(h_1+h_k)/(h_1+h_k-y)}$

其中：

A＝出口端横截面积[m²]；

h₁＝超出入口端上方的熔池的有效高度[m]，沿出料通道轴向延长线；

h_k＝出料管在入口端与出口端之间的长度[m]；

y＝出口端与沿出料管的任意位置之间的轴向距离[m]，其中0≤y≤(h₁+h_k)。

“h₁”应小于或等于熔液容器中熔液在出料管轴线延长线方向上的最大高度值的0.3倍。可变因子(h₁/h_max)考虑了不同的流动特性，尤其是池槽高度较小时的流动特性。从这个因子“≤0.3”可以看出，在此可以理解为这样一种状态，在该状态下出料管入口端上方的熔池液面有效高度比池槽深度取最大值时的熔池液面有效高度小至少70％。

“h_k”再次给出了出料管在入口端与出口端之间相应的长度。出料管出口端必定是其下方自由端，并在整个时间保持不变，而出料管入口端的位置会随着出料管的使用时间而改变。原因是入口端的防火材料的磨损。入口端原则上相应于冶金熔液容器防火内衬相邻防火材料的水平。随着腐蚀增加，出料管的长度会相应变短。

最后“y”表示出口端与沿出料管上某一位置间的轴向距离。在出口端y＝0，由上面公式可以得到：

A_(y＝0)＝A。

对于圆形出料管横截面这种特殊情况，在出口端和入口端之间出料横截面直径d_(y)满足下列关系：

$d_{\left(y\right)}=d\·\sqrt[4]{(h_1+h_k)/(h_1+h_k-y)}$

其中：

d＝出口端直径；

h₁＝0.3h_max或小于熔液在熔液容器中超出出料管轴向延长线上的出料管入口上方的最大高度(h_max)；

h_k＝出料管在入口端和出口端之间的长度；

y＝出口端和沿出料管某一位置间的轴向距离。

此处“d”表示在期望流量给定值下的出口端直径。期望流量越大，直径“d”也就越大。

下面根据不同实施例对本发明的技术方案进行解释。出料管长度(h_k)假定为1.35米，熔池液面的高度(h₁)-自管道入口端计起-假定为0.25米(＝出料管入口上方熔池最大高度1.35米的18.5％)。出口端直径“d”被设为0.13米，以保证期望流量“X”。

根据前面提到的公式可以对通道入口处的内直径做以下计算：

$d_{\left(y\right)}=\mathrm{0,13}\·\sqrt[4]{(\mathrm{0,25}+\mathrm{1,35})/(\mathrm{0,25}+\mathrm{1,35}-\mathrm{1,35})}=\mathrm{0,21}m$

在距离出口端1米处的通道直径值如下：

$d_{\left(y\right)}=\mathrm{0,13}\·\sqrt[4]{(\mathrm{0,25}+\mathrm{1,35})/(\mathrm{0,25}+\mathrm{1,35}-\mathrm{1,0})}=\mathrm{0,17}m$

在出口端处，如前面所述d_(y)＝d，也就是0.13m。

如假设管道长度为2.0米(其余的基本数据、如出口横截面，出口直径，入口端上方熔池液面有效高度保持不变)，必要的入口端直径会变为0.23米，距出口1米处直径为0.15米，而出口端直径则保持不变为0.13米。

由此可以推断，随着出料管长度的增加，必要的入口端孔径会变大。

作为替代方案，对于管道长度为1.35米，出口端直径0.13米，入口端上方熔池液面有效高度0.4米(相应于最大熔池高度的大约30％)，通过上述计算方法执行计算，则计算获得通道入口区域的直径为0.19米，距出口端1米高度处直径为0.16米。

在一种实施方式中，假定该因子(h₁/h_max)(h_max指出料管轴向延长线方向上出料管入口区域上方熔液容器内熔液的最大高度)＞0.05和/或＜0.3。而在另一种实施方式中该因子的值＞0.1和/或＜0.2。

如前所述，首先最重要的是出料管在入口侧的部分的尺寸。在这种情况下，主要是熔池液面有效高度很小时的情况(小于入口端上方熔池液面最大有效高度的30％)具有决定意义。在出口侧末端的横截面几何尺寸主要由流量的额定值(最大熔池高度下的质量流量)决定。

根据一种实施方式，通道的横截面计算涉及“y”大于出料管总长50％的值。而根据另一种实施方式，这个值增加到大于70％的范围内。这意味着，主要是管子总长度的入口侧的一半或者说入口侧的三分之一都应按本发明进行特定的设计。

在这种情况下，这个部分可以构造成连续逐渐变细的圆锥形形状。但是朝出口侧末端必要的变细部分在必要时也可以分级式进行。同样(在纵剖面上看)最佳的通道几何形状也可以调整成多边形(见图3至5)或拱形。在图3至5中，除按发明计算所得的理想几何形状之外也示出了与其在技术上相匹配的分级结构的的壁体形状，借助于其同样可以实现预期效果，并在技术上更加容易制造。

特别地，出料管出口侧的下半段要符合入口侧(上半段)的锥度，也可以在这一部分采用较小的锥度(斜度)，甚至可以做成圆柱形的通道。以上尤其适用于出料管出口侧最后10％到20％的长度。

关于通道的斜度，本发明按一种实施方式(圆形通道横截面以及内轮廓关于通道轴线对称布置)给出以下技术方案，如此构造壁体区域，使得通道内轮廓的斜度(S)(在纵剖面上)遵循以下关系：

$S=r/4\·\sqrt[4]{(h_1+h_k)/{(h_1+h_k-y)}^5}$

其中：

r＝通道横截面在出口端的半径。

斜度S在这种情况下反映了出料通道圆形横截面的半径r_(y)随距离出料管出口端距离y的变化情况。

下面举例对不同的有效池槽深度给出了其最小必要斜度S在距离出料管出口端不同距离处的值，并制成如下表格：

其中：

h_k＝1.35m；

h_max＝1.35m；

r＝0.065m。

其中：

h_k＝2.0m；

h_max＝1.35m；

r＝0.065m。

其中

h_k＝0.75m(例如转炉内衬磨损时减小了的出料长度)；

h_max＝1.95m；

r＝0.065m。

示例说明，在入口侧的范围(通道长度的第一个三分之一)斜度S的值应大于等于0.02。对于非常小的有效池槽深度及较短的出料长度，在其中斜度S大于等于0.02的范围已经延伸至出料通道入口侧的一半。S值可提高至大于等于0.025，大于等于0.05或大于等于0.25。

以上至少适用于出料通道上面的一半(入口端附近)，或者说出料通道的上面的三分之一(入口端附近)，但也可以在出料通道的整个长度上延伸。在入口端(在出料管总长度的0.05倍的长度上)，该值可远大于0.25，例如为1、5、10、30、50、70或100。如果出料通道的壁体走向全部或者部分做成阶梯形的形状，或者相应地与现有生产设备近似，那么“斜度”指纵剖面中相邻阶梯的棱边之间的直线连接线的斜度。

按本发明的出料管尺寸也要考虑到由于相邻内衬磨损状况导致的出料管的长度变化，方法是要考虑出料长度和位于其上的熔液的高度的相应数值。

如果对于理想流动特性考虑通道横截面沿着轴线方向从出口端到入口端的改变，并规格化横截面改变，则有：

$S_{A\left(y\right)}/A=1/2\sqrt{(h_1+h_k)/{(h_1+h_k-y)}^3}$

其中，

S_A(y)＝在位置y处横截面变化，单位为m²/m；

A＝通道在出料管出口端的横截面面积；

h₁＝0.3h_max或小于熔液容器中的熔液沿出料管轴向延长线在出料管入口上方的最大高度(h_max)；

h_k＝出料管在入口端和出口端之间的长度；

y＝出口端和沿出料管的某一位置之间的轴向距离。

在下面假设中：熔池液面最多在出料通道入口端上方最大有效高度的30％处，以下数值由出料通道入口侧的一半处获得：

$S_{A\left(y\right)}/A>=1/2\sqrt{\mathrm{2,4}/{(\mathrm{2,4}-1)}^3}$

S_A(y)/A＞＝0,468[1/m]

其中

h_k＝2m；

h₁＝0.4m；

y＝1m。

这意味着，为得到流动技术上有利的条件，在出料通道入口侧的一半中，每1米通道长度，横截面面积就增加至少47％。

按本发明的出料管结构可以在微小的池槽深度条件下，以较小的涡流以及恒定的熔液流进行出料过程，并由此显著减小熔渣的带流。此外由于降低了温度损失和磨损获得了其它经济上的优点，如节省了能量以及延长了出料管的使用寿命。

Claims (7)

1.用于冶金熔液容器的出料管，其在入口端和出口端之间沿轴向延伸的通道具有按如下关系的横截面：

$A_{\left(y\right)}=A\·\sqrt{(h_1+h_k)/[(h_1+h_k)-y]}$

其中：

A＝通道在出口端的横截面面积，单位为m²，在给定的期望流量下，

h₁＝熔液容器中的熔液超出出料管入口端上方的有效高度，在出料管轴向延长线方向，单位为m，

h_k＝出料管在入口端和出口端之间的长度，单位为m，

y＝出口端和沿出料管的任意位置间的轴向距离，单位为m，0≤y≤h₁+h_k。

2.按权利要求1所述的出料管，其中h₁＞0.05h_max，且＜0.3h_max，其中h_max＝在出料管轴向延长线上熔液容器中熔池液面的最大高度。

3.按权利要求2所述的出料管，其中h₁＞0.1h_max，且＜0.2h_max。

4.按权利要求1所述的出料管，其中y＞0.5h_k。

5.按权利要求1所述的出料管，其中y＞0.7h_k。

6.按权利要求1所述的出料管，具有圆形通道横截面。

7.按权利要求1所述的出料管，其中通道的邻近出口端的部分构造成圆柱形。

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