CN101646515B - 具有冷却剂通道的连铸结晶器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有冷却剂通道(2)的连铸结晶器(1)，所述冷却剂通道由一面作为热侧的朝向熔化的金属的结晶器内壁(3)、一面作为冷侧的结晶器外壁(4)以及一面右边的侧壁(5)和一面左边的侧壁(6)构成，其中所述冷却剂通道(2)设有产生涡流的元件(7、9、10)。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有冷却剂通道的连铸结晶器，所述冷却剂通道由一面作为热侧的朝向熔化的金属的结晶器内壁、一面作为冷侧的结晶器外壁以及一面右边的及一面左边的侧壁构成。
背景技术
从DE 19826522A1中公开了一种连铸结晶器的结晶器壁，该结晶器壁由一块结晶器内板和一个通过螺旋连接件与所述结晶器内板相连接的水箱构成，其中所述结晶器内板在其朝向所述水箱的一侧具有接片，所述接片则具有在其之间延伸的槽，在所述槽中布置了填充件。所述槽在此用作冷却液通常是水的冷却通道。所述填充件用于减小通道横截面，从而提高冷却液在冷却通道中的流动速度。
DE 19842674A1说明了类似的填充件。
此外，具有冷却通道的连铸结晶器从文件DE 10122618A1、DE10035737A1和DE 10138988C2中得到公开。
从DE 10253735A1中公开了一种用于对熔化的金属尤其钢进行连铸的结晶器，该结晶器在与结晶器热侧对置的接触面中具有冷却通道如冷却槽、冷却缝隙或者冷却孔。所述结晶器的传热情况通过以下方式得到改进，即冷却通道或者一组冷却通道的传热的表面的几何上的设计方案在形状、横截面面积、圆周、界面状态、关于接触面的定向、相对于所述接触面的布置和/或布置密度方面与铸造运行中且尤其在浇铸液面区域中热流密度的局部构成和/或接触面的温度相匹配。
在连铸时，液态的熔液从连铸分配器穿过浸入式水口流入振荡的水冷却的铜结晶器中。由于散热，熔液温度降低到固相温度之下，并且形成薄的连铸坯外壳，沿浇铸方向拉出该连铸坯外壳。随着冷却程度的增加，所述连铸坯外壳的厚度在增加，直到连铸坯完全凝固。按所述连铸坯的规格和数目，今天达到6m/min及更高的浇铸速度。典型的局部的热流密度在可达12MW/qm的数量级中。
此外，由冷却剂导出的热流与所述冷却剂通道的几何形状、壁体粗糙度以及流动速度并且由此也依赖于涡流程度有关。冷却剂侧上的涡流程度越高，混匀程度越充分并且导出越多的热量。虽然可以扩大传热的表面，但是为这种表面扩大设置了较窄的界限。尤其在热流密度很高时，经常出现传热的表面因沉积物而污染的现象即所谓的污垢。因为所述沉积物拥有很低的传热能力，所以污垢在结晶器冷却的情况下导致铜温剧烈上升并且由此导致结晶器的寿命缩短。
传统的连铸结晶器设有矩形的冷却剂通道，冷却剂以大约10m/s的流动速度流经所述冷却剂通道。在这些冷却剂通道中，在雷诺数大约为250.000时构成在轴向方向上具有主分量的涡流。基础涡流导致在单个的冷却剂层之间增加的质量、脉冲和能量交换。在壁体附近构成流动界面层及温度界面层，所述流动界面层及温度界面层可以通过所谓的对数壁法则(logarithmische Wandgesetze)来描述。随着靠近壁体的程度增加，涡流得到抑制。传统的冷却方法的主要缺点在于定向的涡流，所述涡流在轴向的流动方向上具有主要份额并且在径向的流动方向上具有较低的份额。
发明内容
本发明的任务是，提供一种连铸结晶器，其中结晶器材料或冷却剂通道壁体材料的依赖于工作温度和持续工作时间的再结晶过程得到减缓，结晶器的寿命和涡流程度得到提高并且获得冷却剂的均匀的混匀效果。
按本发明，该任务通过以下方式得到解决，即连铸结晶器具有冷却剂通道，所述冷却剂通道由一面作为热侧的朝向熔化的金属的结晶器内壁、一面作为冷侧的结晶器外壁以及一面右边的和一面左边的侧壁构成，其中所述冷却剂通道设有产生涡流的元件。通过加入产生涡流的元件，通常获得冷却剂的更加充分的混匀结果。同时所述产生涡流的元件扩大所述冷却剂通道或结晶器壁体的传热的表面。这两项措施也就是涡流产生和传热表面扩大的共同作用改进了从所述冷却剂通道的壁体到而后导出热量的冷却剂上的当地传热效果。
所有产生涡流的元件的基本原理基于诱发涡流的质量、脉冲及能量输送。按本发明，连铸结晶器的冷却剂通道中的传热情况得到改进。由于更为充分的混匀效果，所述涡流产生器导致更高的当地热流密度，也就是说每面积单位导出的热量得到扩大。不仅在壁体附近而且在核心流的区域中的涡流效果都得到提高并且获得均匀的混匀效果。通过所述产生涡流的元件来达到冷却水的更好的混匀效果并且降低铜中的温度水平，其中所述结晶器材料或冷却剂通道壁体的材料的依赖于工作温度和持续工作时间的再结晶过程得到减缓。这导致所述结晶器的寿命提高。所述结晶器或结晶器壁体的材料比如是铜，部分是铜或者是其它材料。此外，污染程度及沉积倾向因增加的涡流和在所述冷却通道的热侧上的更大的剪力而减少。
在所述产生涡流的元件的后面棱边上水流断开，并且形成不稳定的和涡旋的也就是涡流的再循环区域。所述产生涡流的元件的第一结构方案包括冷却剂中的水平的梯级，所述梯级比如由矩形的轮廓构成，所述轮廓在所述冷却剂通道的整个宽度或者局部区域的范围内延伸。所述产生涡流的元件的第二和第三结构方案拥有四面体和小翼(Winglets)的形状。就这些形状而言诱发向内旋转的搅流，所述搅流导致所述冷却剂的更为充分的混匀效果。所述搅流比如可以在机翼轮廓的端部上或者在汽车的后面观察到，原则上在这些地方搅流是不受欢迎的。所述产生涡流的元件比如先后错开地布置在所述热侧上，其中间距决定性地由处于上游的再循环区域的空间伸展所确定。作为替代方案，所述产生涡流的元件也可以安装在所述冷侧上，因为再循环的作用一直延伸到所述热侧。也可以将所述冷却剂通道的冷侧上的四面体与其热侧上的水平安置的梯级组合起来。同样可以设想将所述产生涡流的元件仅仅安装在冷却剂通道的入口中或者仅仅安装在浇铸液面(Gieβspiegel)的高度上，以便限制制造技术上的开销。作为所提到的流动技术上的效应的补充，传热的表面通过所述涡流元件稍许得到提高，对于所说明的四面体而言提高大约6％。通过这种方式也扩大了当地的热流密度。通过所述涡流元件的未选择得太大的尺寸，可以将压力损失保持在微小的程度上。
按本发明的冷却剂通道的作用原理可以借助于数值的流动模拟(CFD-计算流体力学)来证明。
附图说明
本发明的实施例借助于非常概要的附图来详细解释。其中：
图1是连铸结晶器的一部分的空间示意图；
图2是所述连铸结晶器连同按第一结构方案的产生涡流的元件的剖切的正视图；
图3是所述连铸结晶器连同按第二结构方案的产生涡流的元件的剖切的正视图，
图4是所述连铸结晶器连同按第三结构方案的产生涡流的元件的剖切的正视图，
图5是所述连铸结晶器连同产生涡流的元件的剖切的侧视图。
具体实施方式
图1示出了一个具有冷却剂通道2的连铸结晶器1的一部分的空间示意图，所述冷却剂通道2由一面作为热侧的朝向熔化的金属的结晶器内壁3、一面作为冷侧的结晶器外壁4和一面右边的侧壁5以及一面左边的侧壁6构成。
产生涡流的元件7、9和10沿流动方向8安置在所述结晶器内壁3上也就是热侧上，并且伸入所述冷却剂通道2中。
图2示出了所述冷却剂通道2的剖切的正视图，其中分两列11将四面体形式的产生涡流的元件7安置在所述结晶器内壁3上。所述四面体以其尖端指向与流动方向8相反的方向。通过这样的布置方式，产生逐渐形成的阻力。在所述四面体的后面所述冷却剂处于涡流之中。所述四面体也可以错开布置。
图3示出了以水平梯级为形式的产生涡流的元件9。所述水平梯级比如由矩形的棒(参见图5)构成，所述棒在所述冷却剂通道2的整个宽度的范围内延伸。
图4示出了所述产生涡流的元件10的一种另外的形式。这些产生涡流的元件10拥有小翼的形状。这些比如从飞机机翼上公开的小翼要么以列11先后定向地固定在所述结晶器内壁3上，要么如通过最下面的小翼示出的那样分布地固定在所述结晶器内壁上。
所有产生涡流的元件7、9和10都从所述结晶器内壁3伸入所述冷却剂通道2中或者相反，并且在冷却剂沿流动方向8流经所述冷却剂通道2时影响着所述冷却剂。
附图标记列表
1 连铸结晶器
2 冷却剂通道
3 结晶器内壁
4 结晶器外壁
5 右边的侧壁
6 左边的侧壁
7 四面体
8 流动方向
9 水平梯级
10 小翼
11 列
Claims (6)
1.具有冷却剂通道(2)的连铸结晶器(1)，所述冷却剂通道(2)由一面作为热侧的朝向熔化的金属的结晶器内壁(3)、一面作为冷侧的结晶器外壁(4)以及一面右边的侧壁(5)和一面左边的侧壁(6)构成，并且，
所述冷却剂通道(2)设有产生涡流的元件(7、9、10)，
其特征在于，所述产生涡流的元件(7)构造为四面体的形式或者构造为小翼的形式，其中，所述四面体以其尖端指向与流动方向(8)相反的方向。
2.按权利要求1所述的连铸结晶器(1)，
其特征在于，所述产生涡流的元件(7、9、10)布置在所述结晶器内壁(3)上。
3.按权利要求1所述的连铸结晶器(1)，
其特征在于，所述产生涡流的元件(7、9、10)布置在所述结晶器外壁(4)上。
4.按权利要求1所述的连铸结晶器(1)，
其特征在于，所述产生涡流的元件(7、10)以列(11)来布置。
5.按权利要求1所述的连铸结晶器(1)，
其特征在于，所述产生涡流的元件(7、10)以列(11)错开布置。
6.按权利要求1所述的连铸结晶器(1)，
其特征在于，所述产生涡流的元件(7、9、10)布置在浇铸液面的区域中。
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