CN101171095A - 用于连续熔融金属浇铸的中间罐塞棒 - Google Patents

Abstract

一种用于熔融金属的连续浇铸的塞棒(22)，具有塞棒主体(22－3)，和在塞棒主体的下端的塞棒尖端(22－1)。塞棒尖端限定终止于凹陷鼻部(22－1b)中的截头圆锥形外表面(22－1a)。凹陷鼻部最优选地具有曲线表面(例如球截段)，但是也可以备选地利用非曲线表面(例如菱柱形、锥形、三角形、和四边形表面)。塞棒尖端的截头圆锥形外表面(22－1a)相对于水平面形成一个角，该角足够大以便增加流动熔融金属的速度，从而减小其邻近塞孔和塞棒尖端表面的边界层厚度以便最小化夹杂物淀积在其上。优选地角θ大于70°并且小于85°。

Description

用于连续熔融金属浇铸的中间罐塞棒

技术领域

本发明总体上涉及熔融金属，例如钢、铜、铝和它们的合金的浇铸。更具体而言，本发明涉及用于在连续浇铸操作期间调节从中间罐排放的熔融金属的流速的塞棒。

背景技术

熔融金属的连续浇铸涉及在合适的容器，例如中间罐或浇包中提供可用的熔融金属源，所述容器物理地位于连续浇铸装置中的铸模之上。当使用中间罐作为用于容纳熔融金属的容器时，熔融金属流以适合于浇铸条件的流速从那里通过中间罐排放塞孔(nozzle)排放到铸模中。正从中间罐塞孔排放的熔融金属的流速由塞棒可控地调节。更具体而言，塞棒相对于中间罐塞孔可在就座和离座状态之间移动。因而，塞棒相对于中间罐塞孔的移动将选择性地调节在塞棒尖端和中间罐塞孔之间限定的环形孔口面积，熔融金属被允许流过所述孔口面积。由此可调节地改变有效环形孔口面积将转而可调节地控制正从中间罐排放的熔融金属的流速。

与控制熔融金属流有关的一个问题是当它通过塞孔从中间罐被排放时所谓的夹杂物(例如熔融金属的污染物，譬如正被浇铸的金属的氧化颗粒)典型地存在于熔融金属中。能够就座于中间罐塞孔的塞棒尖端的特殊几何形状可以产生流动剖面(flow profiles)，该流动剖面促使夹杂物淀积在塞棒和/或中间罐塞孔的表面上。所以随着时间的推移，在中间罐塞孔和塞棒尖端之间限定的孔口的几何形状可能由于夹杂物的连续淀积而变化，由此最终不利地影响塞棒的流动控制特性。

当流体在固体表面上流动时形成边界层，所述固体表面可以是平的、弧形的或沿着3-D表面的三维(3-D)曲线。其特征主要是因为在所述表面和远离它的地方，在所谓的边界层之外，有速度梯度；流动表现为无粘性流。于是，在边界层内部粘性力比惯性或对流力占优。

边界层内部的速度剖面非常依赖于表面的曲率半径。该半径是如此的具有决定性以至于可能取决于特定流动条件而出现流动分离现象。分离现象意味着流体不再由负压力梯度驱动沿着表面向下游连续流动，而是发现自己在正压力梯度的前面。类似于此的流动条件造成下游流动不稳定性，导致SEN中端口面积的不完全利用。换句话说，分离现象可以造成SEN及其端口的内壁的不稳定性，促使流量波动，铸模中浴槽的弯液面波动和速度的湍流猝发失控。所有这些现象引起严重的连铸坯缺陷。

在中间罐(tundish)中使用塞棒进行流动控制的主要根源是塞棒尖端的形状。连续浇铸工业中的多数塞棒具有带有不同半径的圆形尖端。当使用圆形尖端时，钢水形成非常厚的边界层，在那里流体速度非常小。于是仅仅在尖端形成停滞区并且接触该区域的任何夹杂物失去动量并可以容易地被截留在尖端的陶瓷表面上，并且随着时间的推移而变成堵塞问题。而且，圆形尖端增大了尖端上游区域中的边界层厚度并且这些倾向于夹杂物截留，从而增加塞孔堵塞的危险。

所以理想的是可以提供一种用于连续熔融金属(molten metal)浇铸的塞棒，其使淀积到塞棒尖端上的夹杂物最小化(如果不是完全消除的话)，由此允许塞棒保持使用延长的时间期限和/或提高钢水的清洁度。本发明致力于满足这样的需要。

发明内容

本发明广义地体现为一种用于连续熔融金属浇铸的塞棒，当熔融金属正通过塞孔从容纳熔融金属的容器中被排放时，所述塞棒产生熔融金属的流动剖面以便增强金属清洁度。也就是说，根据本发明的塞棒阻止夹杂物(例如不需要的颗粒，譬如金属氧化物)淀积到塞棒尖端上。根据本发明的一个特别优选的方面，提供了一种用于连续熔融金属浇铸的塞棒，其具有几何剖面以便充分增加流动熔融金属的速度以减小邻近塞孔和塞棒尖端表面的这样的流动熔融金属的边界层厚度，从而使淀积在其上夹杂物最小化。

有利地，根据本发明的塞棒尖端的几何剖面也没有不利地影响塞棒的提升力灵敏度。也就是说，塞棒尖端的几何剖面不会产生这样的熔融金属流动剖面，该流动剖面使得难以实行塞棒尖端相对于中间罐塞孔的物理位移。结果，本发明的塞棒展现从中间罐排放的熔融金属流的相对宽的流速控制范围。

根据本发明的一个方面，一种用于熔融金属的连续浇铸的中间罐塞棒包括塞棒主体，和在塞棒主体的下端的塞棒尖端，所述塞棒尖端具有终止于凹陷鼻部中的截头圆锥形外表面。

有利地凹陷鼻部是凹曲线表面(例如球截段)，但是也可以提供非曲线表面(例如菱柱形(prismatic)、锥形、三角形、和四边形表面)。

在特别优选的实施例中，截头圆锥形表面与水平面形成角θ，该角在大约55°到大约85°之间，并且更优选地大于70°。中心气流通道和尖端气流通道有利地分别形成于塞棒主体和塞棒尖端中以允许惰性气体供应到凹陷鼻部。截头圆锥形外表面和主体的外表面之间的接合处理想地是平滑的，即没有急剧的方向变化。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于熔融金属的连续浇铸的系统，其包括用于容纳(hold)待浇铸的熔融金属的供应的容器，用于从所述容器排放熔融金属的排放塞孔，和塞棒，其被安装成用于朝着和远离排放塞孔作往复线性运动以允许通过排放塞孔从所述容器排放的熔融金属的流速调节，其中所述塞棒包括塞棒主体，和在塞棒主体的下端的塞棒尖端，所述塞棒尖端具有终止于凹陷鼻部中的截头圆锥形外表面。有利地，所述容器是中间罐或浇包。

根据本发明的第三方面，提供了一种在连续浇铸操作期间调节通过排放塞孔正从容器被排放的熔融金属的流速的方法，所述方法包括提供塞棒，所述塞棒包括塞棒主体，和在塞棒主体的下端的塞棒尖端，所述塞棒尖端具有终止于凹陷鼻部中的截头圆锥形外表面；将塞棒定位在容器内使得塞棒尖端可操作地与排放塞孔配合；和相对于排放塞孔可控地移位塞棒尖端以便调节通过容器排放塞孔正从容器被排放的熔融金属的流速。

在仔细考虑其优选的典型实施例的以下具体描述之后，这些和其他方面和优点将变得更显而易见。

附图说明

在下文将参考附图，其中在所有不同图中类似的参考数字指示类似的结构元件，并且其中：

图1是中间罐的示意性横截面正视图，该中间罐具有根据本发明的特别优选的实施例的一种用于连续熔融金属浇铸的塞棒；

图2是图1中所示的塞棒的横截面正视图；

图3是塞棒尖端的放大横截面详图；和

图4是与本发明的范围之外的塞棒相比，可以预期截留在根据本发明的塞棒的耐热表面上的熔融金属中截留夹杂物的百分比柱状图，

图5是本发明的塞棒的进一步例子的与图2类似的视图，以及

图6是本发明的塞棒的更进一步例子的与图2和5类似的视图。

具体实施方式

附图1描绘了连续浇铸中间罐系统10，其包括用于在其中容纳熔融金属14的供应的中间罐12。熔融金属14通过中间罐入口孔16被引入到中间罐10中，并且通过中间罐排放塞孔18从中间罐被排放。典型地，中间罐排放塞孔连接到与连续浇铸铸模(未显示)相联系的浸渍浇孔(immersion nozzle)20以便将熔融金属输送到铸模。尽管中间罐12被显示并且将在下文具体地进行参考，也可以利用浇包作为用于容纳熔融金属14的容器。然而，为了便于论述，将在下面具体地描述中间罐12，原因是它代表用在本发明中的特别优选的容器。

根据本发明的塞棒22被安装成用于相对于中间罐排放塞孔18作往复线性运动使得塞棒尖端22-1能够基本上垂直地朝着和远离塞孔18移位(图1中的箭头A1)。塞棒尖端22-1的位移由此改变用塞孔18限定的孔口面积，这转而控制通过其正被排放的熔融金属的流速。在这点上，塞棒22包括横销22-2，该横销接合到与提升机构，例如液压致动器(未显示)相联系的臂24。

或许在附图2和3中更清楚地描绘了根据本发明的塞棒22。如这里所示，塞棒22是细长的大体圆柱形的塞棒主体元件22-3，该塞棒主体元件在其上端22-4和其下端22-5之间稍稍逐渐变细。塞棒主体22-3最优选地由适于浸入熔融金属中的高温陶瓷材料形成。

塞棒尖端22-1在塞棒主体的下端22-5联接到塞棒主体22-3的下端并且也最优选地由适于浸入熔融金属中的高温陶瓷材料形成。塞棒尖端22-1与塞棒主体22-3相比可以由相同或不同陶瓷材料形成。另外，尽管塞棒主体22-3和尖端22-1被描绘成分离结构部件，当需要时它们例如可以形成为整体结构。

尖端通气通道22-6居中地形成于塞棒尖端22-1中并且与形成于塞棒主体22-3中的中心通气通道22-7连通。尖端通气通道22-6与中心通气通道22-7相比最优选地直径更小。总之，通气通道22-6和22-7允许可以由形成塞棒主体22-3和/或尖端22-1的陶瓷材料生成的废气排出中间罐12使得它不会污染其中的熔融金属14。尽管在附图1-3中显示了通气通道22-6和22-7，根据本发明的塞棒22可以不带有任何这样的通气通道。另外，如图5中所示，通过尖端22-1的通道22-9可以被提供并且当想要通过其引入惰性吹扫气时特别有用。氩典型地通过通道22-7和22-9供应到尖端。

通过塞棒主体22-3形成开孔22-8以便接收横销22-2。也可以提供提升塞棒22的备选机构。例如，螺纹螺母可以物理地嵌入或固定到塞棒主体22-3的上端使得塞棒22可以螺纹地附着到提升杆。备选地或附加地，为了该目的外部压力轴环可以附着到塞棒主体22-3的上端。

对于本发明来说重要的是，塞棒尖端22-1具有包括凹陷鼻部22-1b的截头圆锥形外表面22-1a。最优选地，凹陷鼻部22-1b是平滑的弓形凹面，例如球截段。然而，实际上任何凹面可以用在本发明的实践中。因而凹陷鼻部22-1b可以体现为规则和不规则的曲线表面。备选地，非曲线表面(例如菱柱形、锥形、三角形、四边形等)可以用于形成凹陷鼻部22-1b。

塞棒尖端22-1的截头圆锥形外表面22-1a最优选地相对于水平面形成角θ，该角足够大以便增加流动熔融金属的速度，从而减小其邻近塞孔和塞棒尖端表面的边界层厚度以便使淀积在其上夹杂物最小化。另外，截头圆锥形外表面22-1a形成的角不会太大以至于不利地影响塞棒22的提升力灵敏度。有利地，塞棒尖端22-1的截头圆锥形外表面22-1a与水平面形成角θ，该角在大约55°到大约85°之间。根据本发明的特别优选的实施例，截头圆锥形外表面22-1a形成的角θ大于70°，例如在70°和76°之间。

在使用中，凹陷或浅凹鼻部22-1b的使用导致压力增加浇铸金属(钢)速度的突然变化，然后停滞金属的尺寸减小。浅凹深度应当大约为5mm。

当通过塞棒注入氩气时，它在凹陷或浅凹处达到更高速度，气泡揭掉在鼻部的堵塞材料。通过塞棒塞孔的流体流动剖面由氩的供应而改善，原因是沿着塞棒尖端锥体，中间罐底部和塞棒鼻部和圆柱形主体之间的接合处之上的区域的表面的边界层的厚度成流线型并且比用单相流(single-phase flow)观察到的更薄。中间罐中的夹杂物的浮动速度增加。除了减小凹陷或浅凹的表面上的边界层，惰性气体的注入减小了钢一气体混合物的局部密度并且结果是塞孔浅凹喉部中的浮力更高。这促进了附近夹杂物浮出来。惰性气体(例如氩)注入稳定了中间罐中的流动剖面。整个液体中的流动剖面将是一致的，与惰性气体流速无关。用于注入惰性气体的大孔径尺寸增强了以上优点，尽管可以预见一些激冷效应。这就是小孔径尺寸，例如2mm为什么优于比如说5mm孔径的唯一原因。

为了进一步减小在鼻部的截头圆锥形表面和塞棒主体的圆柱形主体之间的(锐)接合处的边界层，该接合处可以是圆形的，如图5中的22-1c所示。

该环形接合处的倒圆产生几个好处，即：

i)它减小了沿着圆柱形塞棒主体和截头圆锥形尖端流动的钢的速度。

ii)它减小了非常靠近塞棒塞孔喉部的汇集高速度的高速范围的大小。

iii)靠近塞棒喉部的夹杂物“浮动”将发现它们自身处于较小速度的范围中，结果是浮力可以向上驱动夹杂物而不是由惯性力朝着塞孔喉部拖曳。

iv)它将增强夹杂物附着到塞棒的主体上而不是附着到位于尖端或塞孔喉部中的区域。

通过参考以下非限定性例子将进一步理解本发明。

例子

基于与拉格朗日模型耦合的数学流体湍流模型进行粒子轨迹的计算机模拟。用于动量转移的选择模型是被称为k-ε的湍流型态。对于每个正被检查的塞棒模拟4.0吨/分钟的恒定的浇铸速度。

比较塞棒No.1(CSR1)形成有塞棒尖端，该塞棒尖端被构造成具有上圆柱形表面部分，中间截头圆锥形表面部分，和终端平滑凸出鼻部。比较塞棒No.2(CSR2)形成有具有半椭球表面构造的塞棒尖端。根据本发明的塞棒如上面的图1-3中所示被构造。在图4中显示了每个塞棒的截留夹杂物形成堵塞的百分比柱状图。与本发明的范围之外的塞棒CSR1和CSR2相比，显然根据本发明的塞棒导致显著更小的截留夹杂物的百分比。

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尽管结合当前被认为是最可行和最优选的实施例描述了本发明，应当理解的是本发明并不限于公开的实施例，而是相反，旨在涵盖包括在附属权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (24)

1.一种用于熔融金属的连续浇铸的塞棒，其包括塞棒主体，和在塞棒主体的下端的塞棒尖端，所述塞棒尖端具有终止于凹陷鼻部中的截头圆锥形外表面。

2.如权利要求1所述的塞棒，其中所述凹陷鼻部是凹曲线表面。

3.如权利要求2所述的塞棒，其中所述凹曲线表面是球截段。

4.如权利要求1所述的塞棒，其中所述凹陷鼻部是凹陷的非曲线表面。

5.如权利要求4所述的塞棒，其中所述凹陷的非曲线表面选自菱柱形、锥形、三角形、或四边形表面。

6.如权利要求1-5中任一项所述的塞棒，其中所述截头圆锥形表面与水平面形成角θ，该角在大约55°到大约85°之间。

7.如权利要求6所述的塞棒，其中所述角θ大于大约70°。

8.如权利要求1-7中任一项所述的塞棒，其包括形成于塞棒主体中的供气通道。

9.如权利要求8所述的塞棒，其中所述塞棒尖端包括尖端供气通道，该尖端供气通道联接到塞棒主体供气通道以便使气体能够通过塞棒主体通道和尖端供气通道供应到鼻部的所述凹陷。

10.如前述权利要求中任一项所述的塞棒，其中所述塞棒主体和截头圆锥形外部之间的接合处是弧形的/圆形的。

11.一种用于熔融金属的连续浇铸的系统，其包括：

用于容纳待浇铸的熔融金属的供应的容器；

用于从所述容器排放熔融金属的排放塞孔；和

塞棒，其被安装成用于朝着和远离排放塞孔作往复线性运动，以允许通过排放塞孔从所述容器排放的熔融金属的流速调节，其中所述塞棒包括，

(i)塞棒主体，和

(ii)在塞棒主体的下端的塞棒尖端，

(iii)所述塞棒尖端具有终止于凹陷鼻部中的截头圆锥形外表面。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述塞棒尖端的凹陷鼻部是凹曲线表面。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述凹曲线表面是球截段。

14.如权利要求11所述的系统，其中所述塞棒尖端的凹陷鼻部是凹陷的非曲线表面。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述凹陷的非曲线表面选自菱柱形、锥形、三角形、或四边形表面。

16.如权利要求11-15中任一项所述的系统，其中所述截头圆锥形表面与水平面形成角θ，该角在大约55°到大约85°之间。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述角θ大于大约70°。

18.如权利要求11-17中任一项所述的系统，其中所述塞棒进一步包括形成于塞棒主体中的供气通道。

19.如权利要求18所述的系统，其中所述塞棒尖端包括尖端供气通道，该尖端供气通道联接到塞棒主体供气通道以便使气体能够通过塞棒主体通道和尖端供气通道供应到鼻部的所述凹陷。

20.如权利要求11-19中任一项所述的系统，其中所述塞棒主体和截头圆锥形外部之间的接合处是弧形的/圆形的。

21.如权利要求11-20中任一项所述的系统，其中所述塞棒进一步包括适于附着到提升机构的横销。

22.如权利要求11-21中任一项所述的系统，其中所述容器是中间罐。

23.一种在连续浇铸操作期间调节通过排放塞孔正从容器被排放的熔融金属的流速的方法，所述方法包括：

(a)提供塞棒，所述塞棒包括塞棒主体，和在塞棒主体的下端的塞棒尖端，所述塞棒尖端具有终止于凹陷鼻部中的截头圆锥形外表面；和

(b)将塞棒定位在容器内使得塞棒尖端可操作地与排放塞孔配合；和

(c)相对于排放塞孔可控地移位塞棒尖端，以便调节通过容器排放塞孔正从容器被排放的熔融金属的流速。

24.如权利要求21所述的方法，其中步骤(b)包括将塞棒定位在中间罐内。

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