CN102029384A - 减轻流体旋涡的阻旋装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及减轻流体旋涡的阻旋装置。本发明研制了一种阻碍流体旋涡产生、发展的装置，可应用于多种领域。至于冶金行业，应用于钢包或中间包浇铸水口附近。其特征是在钢包或中间包底部水口附近放置1块或几块由抗侵蚀耐火材料制作的台体，其截面可以为矩形或其它多边形。其理论依据为由于地球自转和地心引力产生地心偏向力，使得钢液在浇铸末期，在水口附近，形成漏斗状旋涡。根据不同的地理位置，有不同的放置方案。本方案是从容器底部强加一流场，与旋涡产生的流场完全相反，抑制了旋涡的形成。通过水模型实验，有明显的效果，特别是贯通高度，降低了一半。它从根本上抑制了旋涡的发展，能够同时提高钢水纯净度和金属收得率。为后续的中间包冶金和连铸生产提供有利保证。

Description

减轻流体旋涡的阻旋装置

技术领域

本发明涉及一种流体流动过程中产生的旋涡，具体来说是冶金行业钢水从一个容器转移到另一个容器的过程中，例如钢包或中间包浇铸过程产生旋涡的阻旋装置。

背景技术

众所周知，随着社会进步和科技发展，对钢材质量的要求越来越高。这就使得优质钢材的生产主要集中在减少杂质元素的含量和控制钢中夹杂物。因此，整个流程的每一个环节都要严格控制钢水质量。在现代炼钢过程中，钢水从一个容器转入另一容器时产生的旋涡卷渣长期以来一直是个难以完全解决的问题，它的存在使得钢中夹杂物难以排除，降低有益元素含量，严重限制成品钢质量及性能的进一步提高，而这些问题随着社会进步，技术提高，显得越来越突出。此外，钢水从钢包到中间包浇铸末期，钢渣卷入钢水，一方面使得二次精炼的钢水再度恶化，发生二次氧化，大量合金元素烧损，减少合金的收得率，降低有益元素含量；另一方面，钢渣进入浇铸流，易堵塞水口，中间包内钢渣聚集量大，降低包衬耐材寿命。不但增加生产成本，而且给操作人员带来大量频繁的清理工作。

为了避免大量熔渣进入水口，通常在钢水将要浇铸完毕时，强制关闭水口。其方式有人工目测和安装下渣检测装置。人工目测完全靠人为经验判断，起伏和误差都很大，已被安装下渣检测装置所取代，即在钢包底部外表面水口附近安装钢包下渣检测系统，如电磁式钢包下渣检测系统或振动式钢包下渣检测系统等，其工作原理是在线检测流动的钢水，当检测到通过水口的钢液流中含有渣液后，立即启动钢包的滑板，强制关闭水口。此时，钢包中的剩余钢水无法被利用而产生浪费。安装了钢包下渣检测系统后，可以将进入中间包的钢渣数量降到很低的程度，净化了钢液，但随之产生的问题是钢水收得率降低，因为钢包浇铸末期的下渣主要是由产生的旋涡引起的，也就是说在钢水没有完全流净之前，就会出现旋涡卷渣，这时强制关闭水口，必然有部分钢水残留在钢包内而无法被利用。例如300吨钢包利用此方法时的残钢量约9吨，约占钢水的3％。如果采用有效技术以抑制旋涡的产生，减轻旋涡卷渣，即使残钢量降低1％，也就是多浇铸3吨钢水，以年产钢300万吨计，就能多产钢3万吨，多盈利6000万，其效益是非常显著的。本发明就是在使用钢包下渣检测系统的基础上，在保证钢液纯净度的同时，最大限度的浇铸钢液，实现提高钢水纯净度和浇铸率的双重目的。

由生产实践可知，钢水产生旋涡属于自然现象，很难消除。因此，如何减轻旋涡产生所需要的能量积累，从而降低旋涡产生的高度和强度，对于提高钢铁企业的产能，降低成本，意义至关重大。

发明内容

针对上述炼钢生产现状，本发明的目的是提供一种钢包或中间包浇铸末期能够减轻或消除流体旋涡的阻旋装置以及抑制旋涡产生下渣的方法，它从本质上阻碍了形成旋涡并逐渐发展壮大的能量聚集，能有效地抑制旋涡的形成，减少出钢时的下渣量，提高合金收得率，最大限度维护炉外精炼的效果，提高钢水质量，为后续的中间包冶金及连铸生产提供有利的保证。

本发明创造是在现有浇铸技术基础上，在钢包或中间包底部水口附近按一定规律放置1块或几块由抗侵蚀耐火材料制作的台体，其截面可以为矩形或梯形或其它多边形。其理论依据为在没有人为外加场的前提下，钢液由钢包或中间包自然浇铸过程中，由于地球自转和地心引力产生地心偏向力(也叫科里奥利力)，在水口附近及水口内部，钢液以旋转的流动形式运动，形成漏斗状旋涡。根据南、北半球不同的地理位置，旋涡的方向不同。下面通过对流体流动的受力分析，得出旋涡的方向。

图1为流体分别在南半球和北半球向水口流动时的受力分析。由图可知，赤道上一流体质点M，由于地球自西向东自转，受一水平向东的力F₁。当其受到正向北的力F₂，欲向水口1运动时，其实合力为F，因此在水口1附近形成了逆时针的流动。同理，当其质点向南半球的水口2运动时，则会出现顺时针的流动。

上面是从赤道上一流体质点向不同的方向运动得出旋涡的方向。下图为从另一角度，即从地球自转的角速度出发，来分析流体的运动情况。

图2为地球自转的示意图，在地球表面和内部的一切物质都具有角速度ω，方向都沿z轴方向。在地球表面有一质点m，也具有ω的角速度，方向沿z轴。因ω是矢量，将ω沿径向和地面经线切向分解，则：

径向角速度  ω₁＝ω·sinθ

切向角速度  ω₂＝ω·cosθ

其中θ为地球的纬度值，北半球θ＝0～90°，则sinθ＞0；南半球θ＝-90～0°，sinθ＜0；在赤道上θ＝0。由此也可说明，旋涡方向在北半球为逆时针，在南半球为顺时针，在赤道上则没有旋涡(俯视)。

图3为北半球上一装有水的容器，底部有一个出水口。水中取一个质元A，其质量为m，离水口中心轴线OO’的半径为r。在没有打开出水口时，容器和A都以ω₁的角速度绕径向轴(即OO’轴)转动，看不到它们之间有相对运动。当打开出水口时，水在重力的作用下不停地从出水口流出。当质元A运动到A’时，离水口中心轴线OO’的半径为r’。在这一过程中，水是自由流动的，故沿OO’轴的角动量守恒，即L＝常量。

因此，在A和A’处L＝mr²ω₁＝mr’²ω₁’

故ω₁’＝(r/r’)²ω₁

可见，质量为m的质元从A处运动到A’处时，在A’处的转动角速度将是原来的(r/r’)²倍。A’靠近轴线OO’，即r’→0，而A远离轴线OO’，r较大。并且r越来越大，所以ω₁’也就越来越比ω₁大，旋涡就越来越急。从ω₁’＝(r/r’)²ω₁，就可以形象地描述旋涡产生的过程。刚开始流体由于地球自转偏心力产生的偏向水口的流动很微弱，甚至很难被发现，但当流体运动到水口附近，特别是距水口较远的流体运动到水口附近时，则会产生很大角速度，因而演变成明显的旋涡。

本方案的出发点是从流体容器底部强加一流场，与旋涡产生的流场完全相反，抑制了旋涡的形成。通过水模型实验，其临界高度和贯通高度都有明显的降低，特别是贯通高度，降低了一半，取得了显著的技术效果。根据地球自转产生偏心力(也叫科里奥利力)和流体力学的原理，发明一种减轻流体旋涡的阻旋装置。

附图说明

图1为流体分别在南半球和北半球向水口流动时的受力分析。

图2为地球自转的示意图。

图3为北半球上一装有水的容器，底部有一个出水口。

图4A、B、C为位于北半球时，减轻流体旋涡的阻旋装置。

图5A、B、C为位于南半球时，减轻流体旋涡的阻旋装置。

图6为本发明的结构示意图。

具体实施方式

由于地球自转产生离心力，根据南北半球不同的地理位置，受力的大小、方向均不同。流体产生旋涡的强度、方向也不相同，南半球旋涡为顺时针方向，北半球为逆时针方向。本发明根据旋涡方向的不同，有不同的放置方案。

以下根据图4A、B、C和图5A、B、C，具体说明该阻旋装置的实施方式。

图4A为位于北半球时，减轻流体旋涡的阻旋装置。其结构为：3块由抗侵蚀耐火材料制成的耐火砖如图所示砌筑在水口周围，耐火砖1、2和3截面相同，可为矩形或梯形；长度相同或不同均可，一端位于和水口边相切的位置附近，如耐火砖1的L端；并且有一定高度。钢包或中间包底部流体通过4、5和6三个区域流向水口，砖1中的M端较L端更远离水口，这就使得流体通过区域4的流动方向大致上沿砖1的长度方向。同理，区域5和6中的流体流动方向均是沿砖3和2的长度方向。这样，水口附近流体的流动趋势为顺时针方向，这对逆时针旋涡的形成将会产生阻碍作用，达到抑制旋涡的形成，降低旋涡临界高度和贯通临界高度的目的。

图4B和C是按照图4A的思路和原理，由放置3块砖改为2块或1块，这是因为不同的地理位置所受力的强度不一样，在受力强度较小的情况下，减少耐火砖的数目，这样可以减弱由于耐火砖而形成的顺时针流动的趋势大小。同时，耐火砖的长度l₂、高度h和到水口的距离l₁也是重要的参数，根据不同的地理位置和水口直径大小的不同，均有不同参数值(如图6所示)。

图5A、B和C则是用于南半球的旋涡形成的阻旋装置，其原理和图4相似。只是耐火砖形成的钢包或中间包底部流向水口的流体具有逆时针的趋势，这会与顺时针的旋涡形成能量的抵消，抑制旋涡的产生，降低旋涡的临界高度。

Claims (6)

1.一种减轻流体旋涡的阻旋装置，其特征是在钢包或中间包底部水口附近按一定规律放置1块或几块由抗侵蚀耐火材料制作的台体。

2.根据权利要求1所述的一种减轻流体旋涡的阻旋装置，其特征是在钢包或中间包底部水口附近按一定规律放置1块或几块由抗侵蚀耐火材料制作的台体，台体的横截面为矩形或梯形或其它多边形。梯形则上边短，底边长。

3.根据权利要求1或2所述的一种减轻流体旋涡的阻旋装置，其特征是在钢包或中间包底部水口附近按一定规律放置1块或几块由抗侵蚀耐火材料制作的台体，根据南北半球不同的地理位置，旋涡的方向不同，台体有不同的摆放方式。

4.该减轻流体旋涡的阻旋装置，其特征是在钢包或中间包底部水口附近按一定规律放置1块或几块由抗侵蚀耐火材料制作的台体。由于不同的地理位置，旋涡产生的能量大小不同，台体的数目为1块或多块不等。

5.一种减轻流体旋涡的阻旋装置，其特征是在钢包或中间包底部水口附近按一定规律放置1块或几块由抗侵蚀耐火材料制作的台体。耐火砖台体的高度、长度与距水口的距离为重要的参数，根据不同的地理位置，均有不同的参数值。

6.减轻流体旋涡的阻旋装置，其特征是在钢包或中间包底部水口附近按一定规律放置1块或几块由抗侵蚀耐火材料制作的台体。根据不同的拉坯速度，水口的直径不同，台体的高度、长度与距水口的距离也有不同的参数。

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