CN104325126A - 板坯连铸过程控制金属流体流动的浸入式水口 - Google Patents

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白亮
王波
刘淑培
冯孔方
张捷宇
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    • B22D41/50—Pouring-nozzles

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Abstract

本发明公开一种板坯连铸过程控制金属流体流动的浸入式水口，属冶金连铸设备技术领域，其具有改进的吐出孔结构及其底部结构，显著作用在于当熔融金属流经吐出孔过程中，延伸的吐出孔对液体流速及流动方向进行控制，使其结晶器内流场状态符合不同生产需求。所述水口为扁圆形金属入口、左右对称的吐出孔及封闭的底部组成。所述吐出孔为将底端水口壁面以一定的弧度向两侧突出，使吐出孔向外延伸；所述封闭底部的宽度随工艺要求的不同进行变化；通过改进的吐出孔与不同宽度的底部相配合，可有效的控制股流的方向以及减小出口上方所形成的负压区，使金属液流经水口后可按实际生产需要，具备不同的流动状态，从而有效的提高生产效率和产品质量。

Description

板坯连铸过程控制金属流体流动的浸入式水口
技术领域
本发明涉及一种板坯连铸过程控制金属流体流动的浸入式水口，属于冶金连铸设备技术领域。
背景技术
连铸结晶器是连铸过程中的一个非常重要环节，即直接决定着铸坯的质量也直接决定着铸机的产量。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。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坯壳。高温钢液进入结晶器后具有较大的动能，其强大的冲击力严重的影响着连铸过程中的卷渣、凝固传热、结晶器内的温度场分布、凝固壳厚度分布等情况，从而最终决定着连铸坯的质量。
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。在产生上回流的同时，会在水口出口上沿附近形成一定大小的负压区。此负压区会使得小部分钢液长时间停留在水口上沿附近，一方面会使此处钢液温度降低，粘度增大，夹杂物上浮困难；另一方面容易使得氧化物在此处聚集，造成水口的堵塞。经研究表明铸坯缺陷形成与连铸过程中的诸多因素有关，其中与水口形状有着简单而直接的关系，而水口的优化是诸多因素中最简单便捷成本最低的，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板坯连铸过程控制金属流体流动的浸入式水口。通过对水口两侧金属液吐出孔形状的优化设计，配合不同类型的底部结构，起到有效控制金属流体在结晶器内流动状态，以减少连铸过程的各种缺陷的产生，提高铸坯质量的目的。
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。本发明在传统水口的基础上，对吐出口的形态进行了优化，由原来平直的吐出孔调整为出口向外突出，并依据不同的用途，吐出口的宽向尺寸及角度也各不相同；同时也对出口所对应的凹底形状尺寸进行调整，水口底部有一定深度的凹槽主要作用是通过对入口股流的反射，抵消一部分入口股流的动能，使得入口股流在出水口时有较小的速度和理想的角度。本发明设想对传统水口吐出孔及凹底形状进行优化设计，通过不同的吐出孔形态及凹底形状搭配，达到调整出口股流的方向及强度的目的，从而控制金属液在结晶器内流场的分布状态，提高铸坯质量。
根据上述构思，本发明采用下述技术方案：
一种板坯连铸过程控制金属流体流动的浸入式水口，本水口上端开口底端封闭，上端开口处为金属液入口，水口的侧壁有一定的弧度；在水口的侧壁上距水口底部一定距离左右对称分布两个金属液吐出孔，所述金属液吐出孔以一定的倾角沿水口底部的宽度方向延伸突出，用以控制出口股流的流动；通过不同参数的金属液吐出孔与水口底部合理的组合，达到对经过金属液吐出孔的金属液的流动进行控制。
所述金属液入口为扁圆形，其内径Φ1为40-150mm、外径Φ2为70-180mm。
所述金属液吐出孔的宽度Φ3为70-230mm；金属液吐出孔为矩形，宽H1为10-80mm，高H2为40-80mm；金属液吐出孔的倾角θ为±30°。
所述水口底部内宽Φ4为40-180mm，金属液吐出孔与水口底部的距离H3为10-50mm。
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：
本发明设计简单、易于实现；本发明是在原有传统水口基础上对金属吐出孔形状进行优化，使吐出孔向宽度方向突出，并对凹底的形状及尺寸进行优化设计，用以改善金属液体冲出吐出孔后在出口上方形成的负压区域的大小及强度，用以实现对流体的控制，达到理想的流场分布，其改进水口结构简单，易于实现制造。水口制造成本低廉、并且免于对连接的中包等设备进行改造，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优化设计来实现，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，生产厂可以利用本发明中改进的水口快速的对生产进行调整，提高产品质量。本发明结构灵活、优化方案全面；本发明中通过对不同形状的吐出孔、凹底形状尺寸进行组合，实现对结晶器内上回流区及下回流区的分布进行调整，依据生产实际的需要，提供结晶器内不同的流态分布。
附图说明
图1为本发明弧形壁出口及宽凹底浸入式水口的结构示意图。
图2为本发明凸出口及宽凹底浸入式水口的结构示意图。
图3为本发明凸出口及窄凹底浸入式水口的结构示意图。
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，一种板坯连铸过程控制金属流体流动的浸入式水口，本水口上端开口底端封闭，上端开口处为金属液入口，水口的侧壁有一定的弧度；在水口的侧壁上距水口底部一定距离左右对称分布两个金属液吐出孔，所述金属液吐出孔以一定的倾角沿水口底部的宽度方向延伸突出，用以控制出口股流的流动；通过不同参数的金属液吐出孔与水口底部合理的组合，达到对经过金属液吐出孔的金属液的流动进行控制。
实施例1
如图1所示，为了保证金属液体流动的对称性，水口内部沿中心垂直线完全对称。从水口上段开始水口入口逐渐增大，到底端达到最大值。依据浇注板坯尺所确定的水口上端的直径Φ1为定值时，可改变水口出口Φ3的开口程度，其值在70-230mm范围内变化的同时相应改变凹底部的Φ4的尺寸其值在40-200mm范围内变化。通过改变水口出口的开口程度及水口底部宽度方向的尺寸，使得金属液体在冲入水口底部后，其能量得到很大程度的缓冲和释放，在出水口时较为平稳，从而减小股流对板坯窄面的冲击力；同时突出的水口出口可以有效的减小出口股流冲击所造成的在水口出口上端所形成的负压区，有利于合理的控制自由液面的稳定性，防止铸坯缺陷的形成；出口夹角θ可在±30°范围内变化，可以调整流股在水口内的反射，控制出口时的速度及角度；通过对出口延伸宽度Φ3、凹底宽度Φ4、吐出孔宽H1、高H2、凹底深度H3及θ的不同组合，可以产生不同的金属流体出口状态，可按照生产需求，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2所示，为了保证金属液体流动的对称性，水口内部沿中心垂直线完全对称。水口上段内径尺寸保持一致，直至出口处逐渐增大。依据浇注板坯尺所确定的水口上端的直径Φ1为定值时，可改变水口出口Φ3的开口程度，其值在70-230mm范围内变化的同时相应改变凹底部的Φ4的尺寸其值在40-200mm范围内变化。通过改变水口出口的开口程度及水口底部宽度方向的尺寸，使得金属液体在冲入水口底部后，其能量得到一定程度的缓冲和释放，与水口1相比，其对入口股流的缓冲能力较弱，故股流在出口时可具有一定的冲击能量。虽对窄面冲击加强，但是为上液面带来更多的热量，可有效的提高液面温度，保证保护渣良好的熔化，同时突出的水口出口可以有效的减小出口股流冲击所造成的在水口出口上端所形成的负压区，有利于合理的控制自由液面的稳定性，防止铸坯缺陷的形成。出口夹角θ可在±30°范围内变化，可以调整流股在水口内的反射，控制出口时的速度及角度；通过对出口延伸宽度Φ3、凹底宽度Φ4、吐出孔宽H1、高H2、凹底深度H3及θ的不同组合，可以调整出口股流的冲击强度及冲击方向，产生不同的金属流体出口状态，可按照生产需求，调整结晶器内的流场分布情况，生产出优质的铸坯。
实施例3
如图3所示，为了保证金属液体流动的对称性，水口内部沿中心垂直线完全对称。水口上段内径尺寸保持一致，直至出口处逐渐增大。依据浇注板坯尺所确定的水口上端的直径Φ1为定值时，可改变水口出口Φ3的开口程度，其值在70-230mm范围内变化的同时相应改变凹底部的Φ4的尺寸其值在40-150mm范围内变化。出口夹角θ可在±30°范围内变化，可以调整流股在水口内的反射，控制出口时的角度；通过改变水口出口的延伸程度，即Φ3的数值，以及调整出口夹角θ的数值，可更有效的控制出口股流的方向，使得股流所具有的热量和能量更加的集中，满足不同浇注条件的需要。通过对出口延伸宽度Φ3、凹底宽度Φ4、吐出孔宽H1、高H2、凹底深度H3及θ的不同组合，可以调整出口股流的冲击强度及冲击方向，可特殊的生产需求，保证生产的顺利进行。 

Claims (4)

1.一种板坯连铸过程控制金属流体流动的浸入式水口，其特征在于，本水口上端开口底端封闭，上端开口处为金属液入口，水口的侧壁有一定的弧度；在水口的侧壁上距水口底部一定距离左右对称分布两个金属液吐出孔，所述金属液吐出孔以一定的倾角沿水口底部的宽度方向延伸突出，用以控制出口股流的流动；通过不同参数的金属液吐出孔与水口底部合理的组合，达到对经过金属液吐出孔的金属液的流动进行控制。
2.根据权利要求1所述的板坯连铸过程控制金属流体流动的浸入式水口，其特征在于，所述金属液入口为扁圆形，其内径Φ1为40-150mm、外径Φ2为70-180mm。
3.根据权利要求1所述的板坯连铸过程控制金属流体流动的浸入式水口，其特征在于，所述金属液吐出孔的宽度Φ3为70-230mm；金属液吐出孔为矩形，宽H1为10-80mm，高H2为40-80mm；金属液吐出孔的倾角θ为±30°。
4.根据权利要求1所述的板坯连铸过程控制金属流体流动的浸入式水口，其特征在于，所述水口底部内宽Φ4为40-180mm，金属液吐出孔与水口底部的距离H3为10-50mm。
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