CN101844223A

CN101844223A - 防止连铸中间包产生旋流的结构

Info

Publication number: CN101844223A
Application number: CN 201010205809
Authority: CN
Inventors: 张健; 陈登福; 谢鑫; 朱开军
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2030-06-22
Also published as: CN101844223B

Abstract

本发明公开了一种防止连铸中间包产生旋流的结构，在中间包内设有可升降的旋流抑制器，旋流抑制器主要由导流板、圆盘和提升用的提拉杆组成，圆盘水平位于中间包内的上水口正上方，导流板为若干块，导流板沿中心对称安装在圆盘下表面且朝向圆盘中心，提拉杆固定在圆盘上表面中心。本结构中的圆盘一方面有固定导流板的作用，另一方面能切断旋流产生的通道，迫使金属液由垂直于中间包底改变为平行于中间包底的方式流入水口，因此能从根本上杜绝旋流的产生，不但杜绝了钢液卷渣，可显著提高非正常浇注状态下的铸坯质量，同时也能够显著提高金属液的收得率。

Description

防止连铸中间包产生旋流的结构

技术领域

本发明涉及一种金属液控流结构，具体指一种能防止连铸中间包产生旋流的结构，属于金属冶炼技术领域。

背景技术

中间包作为金属液连续浇注过程中的一个过渡设备，在冶金过程中有着非常重要的作用。一般来看，中间包的主要作用一般有以下几个方面：(1)降低金属液的静压力，保持中间包稳定的液面；(2)促使金属液中的夹杂物进一步上浮，达到净化的作用；(3)分流金属液，对多流连铸机，通过中间包将金属液分配到各个结晶器；(4)储存金属液的作用，为多炉连浇创造条件。随着连铸机技术的发展，对最终产品质量的不断提高，同时对金属液在浇注过程中的损耗提出更高的要求，中间包作为金属连续浇注过程中金属液的过渡设备，已经不再仅仅是传统意义上的分配器和缓冲器，其净化金属液的作用已经越来越得到发挥。良好地控制金属液在非正常浇注状态下铸坯的质量及提高金属收得率，对产品质量的提高及降低生产成本有着重要意义。

但在实际的连铸过程中，中间包有一个重要的流动现象，就是在中间包上水口出流区易形成汇流旋涡的问题。有研究显示，这种旋涡造成的卷渣占总下渣量的80％～90％，从而导致钢液二次氧化和产生大型夹杂物。因此，有部分研究者对汇流旋涡的形成、防止汇流旋涡的产生做了大量的基础研究工作。

对汇流旋涡形成的旋涡，有研究者认为是湍流中切向速度脉动增强而形成的。影响汇流旋涡的因素归纳为几个方面。(1)静置时间，注入熔池的液体经过一定时间的静置后，高频率扰动逐渐减弱，只存在低频率扰动，所以开始出现涡流的时间推迟，临界高度下降。(2)注入流方向，在轴向注入时，较短的静置时间可减轻旋涡生成。试验证明，仅经10s静置，轴向注入时旋涡形成的临界高度较低，而切向注入的临界高度大；但经过较长时间静置，两种方式的临界高度差别不大。(3)出流口偏心度，中心流出生成旋涡较早，而偏心流出较难形成旋涡。(4)出口直径，水模试验证明，出口直径增大能显著增加出现旋涡额趋势，这是因为大出口增大了流量，引起流动的非对称倾向加强。同时水口长度对旋涡的形成也有影响。(5)液面的上升或下降，液面上升时，产生旋涡的临界高度较大，也就是说液面上升(亦即金属液注入空的中间包时)更容易出现旋涡流动。从形成旋涡的原因分析，液面下降时是指旋涡产生的高度，液面上升时是指旋涡消失的高度。上升过程的脉动量大，且高频脉动强，耗散这些能量需要较长时间，所以出现了较大的临界高度。下降过程中脉动已经经过了一定的衰减，所以有较小的临界高度。(6)塞棒的形状。用塞棒浇注比用滑动水口浇注时产生临界高度略小一些，因为塞棒增加对切向流动的阻力，但作用有限，旋涡仍将沿塞棒周围产生。(7)水口吹气，在水口周围沿轴向引入气体射流，能抑制切向流动的发展，可推迟旋涡产生的高度和时间。(8)水平出流，由于粘滞力作用，水平出流时下层流体带动上层流体流动，只在出口中心线所在水平面以及上下壁面有较大速度梯度，其余速度梯度很小，仅有微小的非轴对称，所以不会形成旋涡。

从生活经验可知，在一个容器中放满水后，水从底部孔流出，当液面降低到一定高度后，在出水孔上方产生了旋涡，见图1。这种现象在中间包中同样存在。临界高度有两种情况：一是开浇前中间包液体充满到多高而开浇；二是到浇注末期液面降低多高时停止浇注。两者都存在一个临界高度，如果低于临界高度，在液面产生旋涡把渣子卷入结晶器，使铸坯中夹杂物增加以致产品报废。另一个方面，中间包液面到了一个临界高度就停止浇注，中间包就有残余金属液损失，使得金属液的收得率降低。因此，从提高铸坯质量和金属收得率的角度，在不卷渣的情况下，尽量降低中间包液面的高度，是最佳的选择。但金属液的收得率损失与铸坯质量之间是一对显然的矛盾。

为了尽量降低在非正常浇注状态下，中间包液面可降低到最低限度而不导致铸坯质量的恶化，大量的研究者对此作了研究，一般包括三个方面：一是通过水模试验并结合数值模拟的方法，确定金属液下降临界高度，进而在实际生产中，在非正常浇注状态下，中间包中留下过量的金属液，防止旋涡的产生(有研究者称为上躲法)；在实际生产中，一般是人工目测，发现下渣便关闭水口；二是实施各种下渣检测技术，如电磁法、激光法、重力检测法、振动检测法等等。该方法一个显著的缺点是以牺牲金属液收得率为代价。二是局部降低水口附近的包底位置，使临界高度部分降低至该区域，从而达到减少下渣和提高金属液收得率的双重目的(有研究者称为下藏法)；然而，使用该方法，需要对设备本身进行大量的改造，与此同时，仍然会有部分的金属液损失。三是在现有的铸机结构上，采用一定的措施，从根本上降低产生产生汇流旋涡的临界高度，推迟旋涡发生或者阻止贯通式漏斗状旋涡的形成，从而减少以致消除汇流旋涡卷渣并提高钢水收得率，这种方法一般也称之为抑制法。前两种方法在特定的浇注设备上，要么以损失金属液的收得率来提高率，要么需对设备进行较大的改进，从实际的工业生产来说，均不是最佳的选择。第三种方式的，即抑制法，不会对设备进行大的改造，也可在最大限度内提高金属的收得率，也可提高在非正常浇注状态下的铸坯质量，受到连铸工作者的广泛关注。

对抑制法在中间包中的应用，不同的研究者分别开发了相应的设备，比如浮游阀、旋转阀、旋转管阀、双功能塞棒等等，但由于设备较为复杂，而且在浇注后期由于钢液的侵蚀，抑制能力下降。因此，开发一种简单、经济适用的控制方法及装备，显得非常必要和重要。

总之，目前对控制金属液浇注过程中，中间包在非正常浇注状态下的旋涡的控制大多侧重于对中间包上水口的结构进行改进，然而，由于旋涡产生的机理以及产生的形式的复杂性及多样性，使得在金属液的非正常浇注状态下，夹杂物的控制以及金属收得率的提高得不到保证。因此，如何在低成本和简单化设备的要求下，实现对非正常浇注状态下的中间包水口附近的钢流的状态进行控制，尽量减小金属液的卷渣以及提高金属液的收得率，从而降低生产成本，是本领域技术人员需要考虑的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种能防止连铸中间包产生旋流的结构。在金属液连续浇注成型过程中，本结构能对非正常浇注状态下的中间包上水口附近的钢液流动状态进行控制，防止钢液在低液位浇注状态下在上水口附近产生旋流。

本发明解决技术问题的技术手段是这样实现的：防止连铸中间包产生旋流的结构，在中间包内设有可升降的由耐火材料制成的旋流抑制器，所述旋流抑制器主要由导流板、圆盘和提升用的提拉杆组成，圆盘水平位于中间包内的上水口正上方，导流板为若干块，导流板沿中心对称安装在圆盘下表面且朝向圆盘中心，提拉杆固定在圆盘上表面中心。

本结构中的圆盘一方面有固定导流板的作用，另一方面能切断旋流产生的通道，迫使金属液由垂直于中间包底改变为平行于中间包底的方式流入水口，因此能从根本上杜绝旋流的产生。一旦浇注过程进入非正常浇注状态，即可通过升降装置将旋流抑制器降入钢液中，而在正常浇注状态下，可将旋流抑制器提起。因此本发明具有如下优点：

(1)能从根本上杜绝旋流的产生，不但杜绝了钢液卷渣，可显著提高非正常浇注状态下的铸坯质量，同时也能够显著提高金属液的收得率。

(2)本结构使用方便，非正常浇注状态下可杜绝旋流产生，又不干扰正常浇注状态下中间包内金属液的流动状态。

(3)对于不同长度和直径的水口，应用流体仿真软件对导流板的高度和圆盘的直径进行优化设计，可尽量减小本结构对中间包液体的宏观流动状态的干扰。

(4)本设计所用材料简单，圆盘、导流板以及提拉杆均为普通耐火材即可满足要求，故制造成本低廉。

(5)本结构可在简单的清理后重复使用，尽量降低生产成本。

附图说明

图1-旋涡产生示意图。

图2-本发明结构示意图。

图3-本发明旋流抑制器结构示意图。

其中，1-中间包；2-旋流抑制器；3-导流板；4-圆盘；5-提拉杆；6-上水口；7-中间包底；8-渣层；9-金属液；10-浸入式水口；11-滑板控制机构；12-提拉杆夹持装置。

具体实施方式

如何保证在非正常浇注状态下，通过控制中间包上水口附近金属液的流动状态来控制旋涡的产生，最终达到控制金属液的卷渣以及提高金属液的收得率，是本发明专利的核心目的。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图2，从图上可以看出，本发明防止连铸中间包产生旋流的结构，在中间包1内设有可升降的由耐火材料制成的旋流抑制器2。同时参见图3，所述旋流抑制器2主要由导流板3、圆盘4和提升用的提拉杆5组成，圆盘4水平位于中间包内的上水口6正上方，导流板3为若干块(图示为四块)，导流板3沿中心对称安装在圆盘4下表面且朝向圆盘中心，提拉杆5固定在圆盘4上表面中心。

所述导流板3为倒直角梯形，导流板3的直角边位于外侧，斜边位于内侧。所述导流板3的直角边与圆盘4边缘对齐。

本发明不涉及对中间包结构的改进，因此适应性更强，图2中的标记8为渣层，9为金属液，10为浸入式水口，11为滑板控制机构。

在现场生产过程中，当浇注处在非正常浇注状态(例如：开浇、停浇、换包以及当中间包采用定径式水口控流时，钢液过热度过高或由其他因素影响，须降低中间包液面来达到降低拉速浇注的情况)下，通过升降装置(图2中的标记12为升降装置中的提拉杆夹持装置)将旋流抑制器2降至中间包内的上水口6上方，使导流板3与中间包底7紧密接触，强迫金属液9在水平方向通过圆盘下面的导流板之间的空隙浇注到上水口6中，从而消除旋流的产生，图2中的箭头表示金属液9流动方向。

而对旋流抑制器中导流板的高度以及圆盘的直径是运用FLUENT流体仿真软件进行尺寸优化，达到既能防止旋流的产生又可防止在中间包内过分干扰流体的流动方向反而对铸坯质量产生不利影响。

本发明可以完全消除旋流的产生。具体体现在以下几点：

(1)旋流抑制器在使用过程中，强迫上水口附近金属液的流动由垂直于中间包底变为平行于中间包底，从而可从根本上抑制旋流的产生。

(2)一旦浇注过程进入非正常浇注状态，即可通过升降装置将旋流抑制器降入钢液中，而在正常浇注状态下，将旋流抑制器提起即可。其一，不干扰正常浇注状态下的中间包内金属液的流动状态；其二，可在最大程度下重复利用，降低原材料的投资成本。

(3)对不同长度和直径的水口，运用流体仿真软件优化设计导流板的高度和圆盘的直径，可以完全避免在非正常浇注状态下旋涡的产生。

本发明专利可广泛应用于各种类型的金属连续浇注的中间包上，水口控流方式为滑板控流或者是定径式水口控流。对提高非正常浇注状态下铸坯的质量和金属收得率有着显著的意义。

Claims

1.防止连铸中间包产生旋流的结构，在中间包(1)内设有可升降的由耐火材料制成的旋流抑制器(2)，其特征在于：所述旋流抑制器(2)主要由导流板(3)、圆盘(4)和提升用的提拉杆(5)组成，圆盘(4)水平位于中间包内的上水口(6)正上方，导流板(3)为若干块，导流板(3)沿中心对称安装在圆盘(4)下表面且朝向圆盘中心，提拉杆(5)固定在圆盘(4)上表面中心；在非正常浇注状态下，旋流抑制器(2)下降使导流板(3)与中间包底(7)接触。

2.根据权利要求1所述的防止连铸中间包产生旋流的结构，其特征在于：所述导流板(3)为倒直角梯形，导流板的直角边位于外侧，斜边位于内侧。

3.根据权利要求2所述的防止连铸中间包产生旋流的结构，其特征在于：所述导流板的直角边与圆盘边缘对齐。

4.根据权利要求1或2或3所述的防止连铸中间包产生旋流的结构，其特征在于：所述导流板(3)为四块。