CN103894596A - 一种控制金属流体流动的板坯浸入式水口 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种控制金属流体流动的板坯浸入式水口，包括耐火材料管、金属液吐出口和控流棱锥；所述耐火材料管为圆筒形，上端开口底端封闭，在耐火材料管的侧面距底部一定距离左右对称分布两个金属液吐出口，所述控流棱锥设置在耐火材料管底部凹槽内；通过不同凹槽深度以及控流棱锥的不同棱角数量、棱锥高度、棱锥底部边长、底部边间夹角和棱面上所刻流槽形状的合理组合，达到对金属液吐出口吐出的金属液流动进行调整，使其具有不同的流动状态，从而有效的控制结晶器内熔池及液面波动情况。

Description

一种控制金属流体流动的板坯浸入式水口

技术领域

本发明涉及一种控制金属流体流动的板坯浸入式水口，属于冶金连铸设备技术领域。

背景技术

连铸结晶器是提高钢的产量和质量的一个重要环节。在连铸过程中，钢液在结晶器内的行为对铸坯品质有决定性的影响。通常情况下，钢液从中间包经过浸入式水口进入结晶器，在结晶器内完成初始凝固过程，形成具有一定厚度的凝固壳。由于进入结晶器的高温钢液具有较大的动能，所以对卷渣、凝固传热、结晶器内的温度场分布、凝固壳厚度分布都有重要影响，从而最终影响到连铸坯的品质。

钢液由浸入式水口注入结晶器，从水口侧孔射出的流股沿水口倾角方向冲击至结晶器窄面，由于冲击作用，流股在冲击结晶器窄面时分为上、下两流股，分别形成上、下回流区。这两个流股对夹杂物的上浮、液面波动和温度场分布有着重要的影响，两者的相对强度具有相互矛盾又相互约束的关系。若从浸入式水口流出冲向铸坯窄面的流股太强，会由于冲刷作用，使窄面坯壳不均匀生长，影响坯壳的传热，导致产生角部纵裂纹，严重时甚至造成漏钢；同时若冲击角度或是其他原因使得沿窄面向上流股动量太强，引起了弯月面区域液面波动偏大，液渣渗入困难，导致弯月面区的不均匀传热，从而产生纵裂纹。过大的液面波动还会破坏了弯月面的稳定凝固，易造成局部卷渣引起皮下夹渣等表面缺陷；但是若上股流太弱使得结晶器弯月面区表面流速太小或钢水更新太慢，导致该区域钢水温度偏低，造成局部冷凝形成深振痕和弯月面区初生坯壳呈“钩”状，会捕捉渣滴、夹杂物和气泡进入凝固坯壳。相反，过强的向下流动不利于夹杂物和气泡上浮，易造成铸坯内部或中心缺陷。总之，铸坯缺陷形成与结晶器内钢液的流动行为密切相关的。而影响钢液流动行为主要因素有拉坯速度、电磁搅拌强度、水口插入深度、水口安装方位、水口出孔面积比、水口出孔倾角、孔数、出孔形状、水口内腔结构等。所以要获得高质量的铸坯和提高生产率，应从优化调整各工艺参数和水口结构参数入手，而水口的优化是诸多因素中最简单便捷的，所以设计和优化结晶器水口结构对于结晶器内流场优化和改善铸坯质量具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种控制金属流体流动的板坯浸入式水口，能够有效控制金属流体在结晶器内流动状态。

为达到上述目的，本发明构思如下：

对于水口的设计与优化，目前主要集中于对水口入口形式、内部流线形态、出口尺寸及角度等因素的调整。凹底水口之所以在底部有一定的凹槽深度主要作用是通过对入口股流的发射，抵消缓冲一部分入口股流的动量，使得入口股流在出水口时有较小的速度和理想的角度。本发明设想对凹底水口进行进一步优化设计，在水口凹底部分增加一个不同形状的棱锥，通过不同数量的棱及棱与底面的夹角来调整入口股流的反射方向及强度，从而调整金属液体出水口时的冲击强度及方向。

根据上述构思，本发明采用下述技术方案：

一种控制金属流体流动的板坯浸入式水口，包括耐火材料管、金属液吐出口和控流棱锥；所述耐火材料管为圆筒形，上端开口底端封闭，在耐火材料管的侧面距底部一定距离左右对称分布两个金属液吐出口，所述控流棱锥设置在耐火材料管底部凹槽内；通过不同凹槽深度以及控流棱锥的不同棱角数量、棱锥高度、棱锥底部边长、底部边间夹角和棱面上所刻流槽形状的合理组合，达到对金属液吐出口吐出的金属液流动进行调整，使其具有不同的流动状态，从而有效的控制结晶器内熔池及液面波动情况。

所述耐火材料管内径Φ为40-150mm，底部凹槽深度H为5-25mm。

所述控流棱锥的棱锥高度H₁为10-200mm。

所述控流棱锥为四棱锥，其棱锥边长L₁为25-70mm，棱底面两边的夹角α₁为5-45°。

在所述四棱锥控流棱锥在棱锥面上所加凸棱为倒V形，凸棱底面两边夹角β₁为5-150°，弦高h₁为5-50mm。

在所述四棱锥控流棱锥的棱锥面上所刻流槽为圆形，流槽底面直径r为20-40mm，弦高为h₂为20-30mm。

在所述四棱锥控流棱锥的棱锥面上所刻流槽为V字形，流槽底面两边夹角β₂为30-150°，槽高h₃为20-30mm。

所述控流棱锥为六棱锥，其相邻棱锥边长L₂和L₃分别为25-50mm，棱底面两边的夹角α₂为5-60°。

所述控流棱锥为圆锥，其底面圆直径R为50-100mm。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的进步：

设计简单、易于实现；本发明是在原有凹底水口内增加不同形状的控流棱锥，用以优化原有水口对流体的控制，达到理想的流场分布，其改进水口结构简单，易于实现制造。成本低廉、易于快速用于工业生产；本发明对于连铸结晶器内流场的优化仅仅通过对水口的改造来实现，不需要对连铸工艺进行大的调整，从而在实际应用中造成生产事故风险小。所以生产方可以快速的对生产进行调整，将本发明用于生产中，提高产品质量。结构灵活、可选方案全面；本发明中可以通过对不同棱锥的控制因素及水口的参数进行组合，实现对结晶器内上回流区及下回流区的分布进行调整，依据生产需要，提供结晶器内不同的流态分布。

附图说明

图1为本发明浸入式水口的结构示意图。

图2为本发明四棱锥形控流棱锥俯视图。

图3为本发明四棱锥加凸台俯视图。

图4为本发明四棱锥面刻圆弧流槽俯视图。

图5为本发明四棱锥面刻V型流槽俯视图。

图6为本发明六棱锥形控流棱锥俯视图。

图7为本发明圆锥形控流棱锥俯视图。

图8为本发明控流棱锥对流场影响计算结果云图。

图9为本发明控流棱锥对流场影响计算结果矢量图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明：

如图1所示，一种控制金属流体流动的板坯浸入式水口，包括耐火材料管1、金属液吐出口2和控流棱锥3；所述耐火材料管1为圆筒形，上端开口底端封闭，在耐火材料管1的侧面距底部一定距离左右对称分布两个金属液吐出口2，所述控流棱锥3设置在耐火材料管1底部凹槽内；通过不同凹槽深度以及控流棱锥3的不同棱角数量、棱锥高度、棱锥底部边长、底部边间夹角和棱面上所刻流槽形状的合理组合，达到对金属液吐出口2吐出的金属液流动进行调整，使其具有不同的流动状态，从而有效的控制结晶器内熔池及液面波动情况。

实施例1

如图2所示，控流棱锥3为在底部凹槽内放置一个边长为L₁为40mm，高度为H₁为70mm的四棱锥，其中棱锥的两个棱角与水口侧面金属液体吐出孔中心线对中。为了保证水口内部流动的对称性，沿着相互垂直的两条对角线两边棱体完全对称。当以上条件确定时，改变棱底面两边的夹角α₁从5°变到45°时，棱锥的形状将随之发生变化，同时对入射股流的反射面的角度也发生变化，使得入射股流经过棱锥反射后，改变原有的流态，从而出水口后在结晶器内形成不同形态的流场。在分别改变棱底边长L₁及棱锥高度H₁的情况下，棱锥对入射股流的反射情况将发生相应的变化。由此，通过对水口内径Φ、封闭的凹底深度H、棱底边长L₁、棱锥高度H₁、棱底面两边的夹角α₁等不同因素的调整组合，可以产生不同的金属流体出口状态，可按照生产要求，调整结晶器内的流场分布情况，生产出质量良好的铸坯。

实施例2

如图3所示，控流棱锥3为在底部凹槽内放置一个高度为H₁为70mm、边长分别为L₁为40mm的四棱锥，其中棱锥的两个棱角与水口侧面金属液体吐出孔中心线对中。四棱锥沿着出口中心面及其垂直面完全对称。在棱锥的四个面上，分别添加一个倒V形的凸台，其底面高度h₁为30mm、两底棱间夹角为β₁为60°。当以上条件确定时，改变棱底面两边的夹角α₁从5°变到60°时，棱锥的形状将随之发生变化，同样对入射股流的反射面的角度也发生变化，使得入射股流经过棱锥反射后，改变原有的速度和方向，从而出水口后在结晶器内形成不同形态的流场。在水口内径Φ、封闭的凹底深度H、棱底边长L₁、棱锥高度H₁、棱底面两边的夹角α₁及倒V形凸台高度h₁及两底棱间夹角β₁等因素中使一个因素变化，其他因素固定，会产生不同形状的棱锥，从而产生不同的反射面角度及高度，产生不同的金属流体出口状态。

实施例3

如图4所示，控流棱锥3为在底部凹槽内放置一个边长为L₁为40mm、高度为H₁为70mm的四棱锥，并在四棱锥四个侧面上刻上半径为r为15mm，弦高为h₂为10mm的圆形流槽。其中棱锥的两个棱角与水口侧面金属液体吐出孔中心线对中。为了保证水口内部流动的对称性，沿着相互垂直的两条对角线两边棱体完全对称。在此种情况下，水口内径Φ、封闭的凹底深度H、棱底边长L₁、棱锥高度H₁、棱底面两边的夹角α₁、流槽半径r、弦高h₂为控制因素，变化其中某一因素都可以使得控流凸台产生变化，从而产生不同的金属流体出口状态及不同的结晶器内流场分布情况。

实施例4

如图5所示，控流棱锥3为在底部凹槽内放置一个边长为L₁为40mm、高度为H₁为70mm的四棱锥，并在四棱锥四个侧面上刻上夹角β₂为60°时，高h₃为15mm的V形流槽。为了保证水口内部流动的对称性，沿着相互垂直的两条对角线两边棱体完全对称。在此种情况下，水口内径Φ、封闭的凹底深度H、棱底边长L₁、棱锥高度H₁、棱底面两边的夹角α₁、V形流槽夹角β₂，高h₃为控制控流棱锥的主要因素，变化其中某一因素都可以使得控流棱锥产生变化，从而产生不同的金属流体出口状态及不同的结晶器内流场分布情况。

实施例5

如图6所示，控流棱锥3为在底部凹槽内放置一个高度为H₁为70mm、边长分别为L₂为40mm、L₃为40mm的六棱锥，其中棱锥的两个棱角与水口侧面金属液体吐出孔中心线对中。六棱锥沿着出口中心面及其垂直面完全对称。当以上条件确定时，改变棱底面两边的夹角α₂从5°变到60°时，棱锥的形状将随之发生变化，同样对入射股流的反射面的角度也发生变化，使得入射股流经过棱锥反射后，改变原有的速度和方向，从而出水口后在结晶器内形成不同形态的流场。在分别改变棱锥底面边长L₂、L₃及棱锥高度H₁的情况下，棱锥对入射股流的反射情况将发生相应的变化。由此，通过对水口内径Φ、封闭的凹底深度H、棱底边长L₂、L₃、棱锥高度H₁、棱底面两边的夹角α₂等不同因素的调整组合，可以产生不同的金属流体出口状态。

实施例6

如图7所示，控流棱锥3为在底部凹槽内放置一个高度为H₁为70mm、直径为R为40mm的圆锥。当以上一个条件确定时，在水口内径Φ、封闭的凹底深度H的条件下，使另一个因素变化，棱锥的形状将随之发生变化，同样对入射股流的反射面的角度也发生变化，使得入射股流经过棱锥反射后，改变原有的速度和方向，从而出水口后在结晶器内形成不同形态的流场。

对实施例1的情形进行数值模拟，选用在浸入式水口内径Φ为72mm、底部凹槽深度H为15mm、吐出孔宽高为60×90mm、倾角为向下15°的基础上，增加一个高度H₁为30mm、L₁为30mm、α₁为90°的正四棱锥。连铸板坯规格为1260×220mm，拉速为1.15m/min。确定以上参数的基础上，用Fluent对凹水口底部加控流棱锥及不加棱锥的情况进行模拟计算，参见附图8、9。增加控流四棱锥后，结晶器内流场发生明显变化，在此棱锥控制因素条件下，显著增加上回流区的活跃程度。这样可以使得结晶器弯月面区表面流速增大或高温钢水更新变快，对该区域钢水温度有足够的补充，不至于造成化渣不良、润滑不良，同时不易产生局部冷凝形成深振痕和弯月面区初生坯壳呈“钩”状，会捕捉渣滴、夹杂物和气泡进入凝固坯壳，使得连铸坯产生缺陷。

Claims (9)

1.一种控制金属流体流动的板坯浸入式水口，其特征在于，包括耐火材料管（1）、金属液吐出口（2）和控流棱锥（3）；所述耐火材料管（1）为圆筒形，上端开口底端封闭，在耐火材料管（1）的侧面距底部一定距离左右对称分布两个金属液吐出口（2），所述控流棱锥（3）设置在耐火材料管（1）底部凹槽内；通过不同凹槽深度以及控流棱锥（3）的不同棱角数量、棱锥高度、棱锥底部边长、底部边间夹角和棱面上所刻流槽形状的合理组合，达到对金属液吐出口（2）吐出的金属液流动进行调整，使其具有不同的流动状态，从而有效的控制结晶器内熔池及液面波动情况。

2.根据权利要求1所述的控制金属流体流动的板坯浸入式水口，其特征在于，所述耐火材料管（1）内径Φ为40-150mm，底部凹槽深度H为5-25mm。

3.根据权利要求1所述的控制金属流体流动的板坯浸入式水口，其特征在于，所述控流棱锥（3）的棱锥高度H₁为10-200mm。

4.根据权利要求1或3所述的控制金属流体流动的板坯浸入式水口，其特征在于，所述控流棱锥（3）为四棱锥，其棱锥边长L₁为25-70mm，棱底面两边的夹角α₁为5-45°。

5.根据权利要求4所述的控制金属流体流动的板坯浸入式水口，其特征在于，在所述控流棱锥（3）在棱锥面上所加凸棱为倒V形，凸棱底面两边夹角β₁为5-150°，弦高h₁为5-50mm。

6.根据权利要求4所述的控制金属流体流动的板坯浸入式水口，其特征在于，在所述控流棱锥（3）的棱锥面上所刻流槽为圆形，流槽底面直径r为20-40mm，弦高为h₂为20-30mm。

7.根据权利要求4所述的控制金属流体流动的板坯浸入式水口，其特征在于，在所述控流棱锥（3）的棱锥面上所刻流槽为V字形，流槽底面两边夹角β₂为30-150°，槽高h₃为20-30mm。

8.根据权利要求1或3所述的控制金属流体流动的板坯浸入式水口，其特征在于，所述控流棱锥（3）为六棱锥，其相邻棱锥边长L₂和L₃分别为25-50mm，棱底面两边的夹角α₂为5-60°。

9.根据权利要求1或3所述的控制金属流体流动的板坯浸入式水口，其特征在于，所述控流棱锥（3）为圆锥，其底面圆直径R为50-100mm。

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