CN105121066A - 铸桶底部及铸桶 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及作为用于处理金属熔化物的冶金铸桶的一部分的铸桶底部，以及对应的冶金铸桶。

Description

铸桶底部及铸桶
技术领域
本发明涉及作为用于处理金属熔化物的冶金铸桶的一部分的铸桶底部，以及对应的冶金铸桶。
背景技术
这种铸桶底部由提供上表面、下表面以及在上表面与下表面之间延伸的浇道的耐火陶瓷体制成。作为铸桶的一部分，铸桶底部适配在对应的壁部分的一端内，其中壁从铸桶底部的外周延伸。
铸桶和铸桶底部分别在下文中描述为在铸桶底部水平地布置和在铸桶下端处的位置。
金属熔化物经由铸桶的开口上端浇入(浇铸)到铸桶中。金属流在重新定向以便沿铸桶底部的上表面和朝浇道流动之前首先撞击铸桶底部，浇道在浇铸过程的该阶段被填料砂封闭以便避免金属熔化物的非受控流出。在浇铸过程的此阶段期间，出现了若干问题，尤其是：
-当金属流撞击耐火材料时沿冲击区域的耐火材料的大量磨损。
-填料砂(特别是突出铸桶底部的上表面的任何填充材料)以非受控方式被熔化物流冲走，因此在后续浇铸序列中造成不规则和/或缺陷。
为了解决磨损问题，已经提出了若干提议。为了减少这样的磨损，已知的是使用不太易于磨损的耐火材料来用于所述冲击区域，和/或提供布置在底部上表面之上的离散的所谓冲击垫。
但填料砂问题仍未解决。
整体的填充材料在熔化物在铸桶中的气体处理期间也会引起问题。通常，这种处理气体经由所谓的气体吹洗塞(德语：Gasspülsteine)进给到金属熔化物中，气体吹洗塞布置在铸桶的底部和/或壁部中，引起熔化物体积内的湍流。填料砂又在出液开始之前由这些湍流意外冲走。
这尤其在所谓的"硬搅拌"期间是如此，对于包括100000到300000kg金属熔化物的工业铸桶，硬搅拌由＞40m3/h(通常40-70m3/h)的气体体积限定。"软搅拌"描述了低于所述40m3/h的气体量的气体处理，特别是10到30m3/h的量。
由气体冲洗引起的问题也仍未解决。
因此，本发明具有的目的在于提供一种技术方案以减少或避免沿浇道布置和布置在浇道之上的这种填料砂的非受控清除(冲走)，浇道从铸桶底部的上表面朝其下表面和相邻的装置(如喷嘴/滑板等)延伸。
在包括水模拟和数学研究的深入研究期间，已经发现各种因素引起提到的缺陷，尤其是：
-熔化物的总质量和熔化物速度。在包括150000到250000kg钢熔化物的典型冶金铸桶中，填充时间仅为大约4到6分钟。
-大多数恶劣条件在浇铸过程开始时和熔化物在铸桶中的气体处理期间，
-铸桶底部的总尺寸和冲击区域与浇道之间的距离，
-熔化物从冲击区域到浇道的路线以及在该路线上的方向。
发明内容
考虑这些及其它因素，本发明在其最普通的实施例中提出了一种包括以下特征的铸桶底部：
-其由耐火陶瓷体制成，具有上表面、下表面以及在上表面与下表面之间延伸的浇道，其中
-所述浇道从由所述上表面的加深区段限定的扩散箱延伸，其中，所述扩散箱特征在于以下特征：
-其布置得离铸桶底部用作用于将金属熔化物浇到所述铸桶底部上的冲击区域的表面区域有一定距离，
-其布置得离铸桶底部的各个气体吹洗元件有一定距离，
-其至少沿其面对冲击区域的边界具有梯级，其中，所述梯级具有在40和200mm之间的垂直高度，
-其具有最小水平区域Amin=(0.37r)2﹢0.3和最大水平区域Amax=(0.8r)2﹢0.3，其中，r=铸桶底部的半径，并且对于具有的有效半径≥2m的所有铸桶底部，r≥0.75m且rmax=2m，且Π=pi=3.14(下文称为方程I)。
-所述浇道的入口端布置得偏离沿其面对冲击区域的边界的梯级。
主要特征是所谓的扩散箱、其尺寸和相对于浇道、任何气体吹洗元件、冲击区域和铸桶底部全部的定向。
用语"扩散箱"执行其主要任务，即，减慢到浇道的路线上的金属熔化物的速度，该浇道布置在所述扩散箱内，即，在离其边界相当大的距离处。
根据一个实施例，浇道的入口端布置在扩散箱的表面区段内，该表面区段覆盖扩散箱的小于90%的总表面积，限制条件为由此限定的表面区段在整个表面区域内居中。优选的是将该值减小至＜80%、＜70%、＜60%或＜50%。
扩散箱的提供和设计对于在熔化物到达浇道的入口端之前以及因此在熔化物与浇道内和/或之上的任何填充材料(填料砂)接触之前减小金属熔化物的动能很重要。扩散箱的提供和设计对于在气体吹洗处理期间减少铸桶内的熔化物的湍流也很重要。
扩散箱的特征在于铸桶底部的上表面的凹入(加深)区段(区域)，因此提供了在金属流从规则的上表面区域流入所述凹入区段时使其重新定向的装置。
本发明提供了梯级，金属流在撞击冲击区域之后和进入浇道之前采用沿该梯级的路线。用语"梯级"限定为几何不连续。利用扩散箱的相邻表面区段和铸桶底部的其余规则表面区域的两个直角分别描述理想的梯级，但在技术条件下可接受略微的变化(＜﹢/-30度，较好的是＜﹢/-20度，甚至更好的是＜﹢/-10度)。
该梯级显著地减小熔化物的速度。梯级的(垂直)高度设置在40到200mm之间，其中上限还可设置为160mm、150mm、140mm、125mm或甚至100mm，而最小高度还可设置为45mm、50mm、55mm或60mm。小于40mm的高度不足以影响金属熔化物的速度来保护浇道中的填料砂。大于200mm的高度由于过大的飞溅而违背该效果。
扩散箱布置得距冲击区域有一定距离以减小围绕冲击区域飞溅的效果以及提供冲击区域与浇道之间足够的距离。
根据一个实施例，沿冲击区域的上表面的中心点与沿扩散箱的上表面的中心点之间的距离为铸桶底部的最大水平延伸的大约30%到75%，其可能的下限为40%、45%或50%，并且可能的上限为65%和70%。在铸桶底部的最小直径限定为1.5m的情形下，以500到1200mm的距离实现了良好的结果。在所公开的公式中考虑的最大直径设置为4m的情形下，甚至在铸桶底部具有＞4m的有效直径的情况中，对于大型铸桶底部以＞1500mm的距离实现了良好的结果。
冲击区域的"中心点"可限定为流入铸桶中的金属流的中心纵轴线撞击的点。扩散箱的中心点为几何中心，其可落入由浇道的入口端限定的区域中。
扩散箱的总体尺寸(m2)由所公开的两个方程(I)限定。上限和下限考虑熔化物在铸桶中的二次冶金处理期间的气体吹洗的影响。这些限制对于由扩散箱限定的空间中且尤其是邻近其表面的湍流的减少是决定性的。
通常，邻近底部表面的金属熔化物的速度达到0.3m/s。高的速度是由于"硬搅拌"引起，在"软搅拌"期间可能经常是较低的值。在这种情况下，Amax主要由"软搅拌"影响，而Amin在"硬搅拌"的情况中限定优选的尺寸。
换言之：熔化物通常在铸桶中由"软搅拌"和"硬搅拌"间隔地气体处理。在这种情况下，扩散箱的总体尺寸由两者限定。
在"硬搅拌"为主的情况中，扩散箱的表面区域的总体尺寸应当＜(Amin＋Amax)/2，最好尽可能接近Amin，而其在"软搅拌"为主的情况中应当＞(Amin＋Amax)/2，且因而尽可能接近Amax。刚好(Amin＋Amax)/2的表面积是两个备选方案之间的折衷。类似的结果可利用扩散箱的总体表面积在(Amin＋Amax)/2的＋/-10%或＋/-20%的范围中来实现。
在"硬搅拌"的情况中，还优选地向扩散箱提供在公开范围的上端的梯级的高度，尤其是＞80mm或＞100mm。
在所有实施例中，相比于如上文所述的铸桶底部的常规设计，在气体吹洗期间，填料砂冲出的要少得多。
为了减小填充材料的意外磨损，还有利的是保持任何气体吹洗元件与浇道之间的最小距离。优选地，在扩散箱区域中不存在气体冲洗/吹洗元件，并且最小距离对应地限定为冲击点与浇道之间的最小距离。
下表引用了水平扩散器区域的有用的上限值和下限值[m2]：
绝对上限值(Amax)可设置为2.3m2、2.2m2、2.1m2或2.0m2。扩散箱的总尺寸(Amin)对于容许金属熔化物在扩散器区域上分布且因此进一步减速也很重要。Amax对于容许冲击区域(和/或气体吹洗元件)与浇道之间的足够(最小)距离很重要。
最后，扩散箱内的浇道的位置影响所需的效果。如可从以上公开内容获得的那样，邻近边界(梯级)或与相邻的铸桶壁区段直接接触的位置将违背所述效果。在这种情况下，建议将浇道布置得偏离所述边界并偏离铸桶壁。
根据一个实施例，浇道布置得离沿面对冲击区域的边界延伸的梯级有一定距离，所述距离等于或大于浇道的最大水平延伸的3倍。在圆柱形浇道的情况中，最小距离对应于其直径的3倍，其中"水平延伸"或"直径"分别限定为跨过其长度的最小值。该最小距离可扩大至系数＞5、＞6、＞7、＞8或＞9。
在具有40mm的直径的浇道的情况中，浇道与梯级之间的最小距离为120mm，但可达到280mm或更大。
本发明包括铸桶，其包括如上文所述的底部。两者(铸桶和铸桶底部)均在附图中示出。
底部可根据以下可选特征中的一个或多个而变化：
梯级沿着金属熔化物在冲击垫与扩散箱之间所采取的路线是最重要的，但可水平地延伸至两侧。在这种情况下，梯级(至少部分地界定扩散箱)可沿扩散箱的边界的至少75%(或者至少80%或至少95%)延伸。
梯级可还沿扩散箱的整个边界延伸。这给予扩散箱相对于铸桶底部的其余上表面的桶状设计。
这包括这样的设计，其中，扩散箱布置在铸桶底部的外周处。其边界的部分然后由对应的铸桶壁限定。
本发明包括这样的实施例，其中，扩散箱具有连续地倾斜到铸桶底部的相邻规则上表面区域(包括冲击区域)的一个或多个边界区段。扩散箱与铸桶底部的相邻部分之间的这种平稳过渡区域可优选地布置得与公开的"梯级"相对，并由与水平成60°到＜90°的角度限定。
限定扩散箱的外部几何形状(外形)的边界(线)可为任意的，例如矩形、圆形或椭圆形。关于矩形形状，长度/宽度之间的关系例如可为＞1.5或＞2.0或＞2.5或＞3.0。相同关系适用于椭圆形，其中，长度和宽度由相对的区段之间的最长距离与最短距离限定。
根据另一个实施例，扩散箱的水平区域对应于铸桶底部的总表面积的3.7%到32.9%。最小值还可设置为5.8%，而上限值可等于或小于铸桶底部的总表面积的25.5%。
本发明还提供了一个实施例，其特征为冲击区域与扩散箱之间的坝状突起，以便进一步减小沿底部区域从所述冲击区域朝所述扩散箱流动的熔化物速度。该突起大致垂直于对应的金属熔化物在撞击冲击区域之后从冲击区域流入扩散箱所沿的方向延伸。换言之：熔化物在突起(屏障)前方暂时停止，并且仅可在穿过所述障碍之后继续其流动。
本发明的其它特征可自从属权利要求和其它申请文件中推导出。
扩散箱的尺寸可作为备选或作为方程I的附加条件由以下的方程II限定：因此扩散箱的优选面积分别由方程I和方程II的交集限定。
Amin=x+10/161·ln[M]
Amax=5y+4/25·ln[M]
其中
x=0.16到0.20且y=0.20到0.16
M=相关联的铸桶中的金属熔化物的标称质量(单位为1000kg)，且Amin和Amax单位为平方米(m2)，具有可能的界限范围：
x=0.16到0.17且y=0.20到0.19
x=0.16到0.18且y=0.20到0.18。
附图说明
附图示意性地描绘了
图1为现有技术的铸桶的纵截面视图和顶视图，
图2为根据本发明的铸桶的纵截面视图和顶视图，
图3为具有相邻构件的扩散箱的略微不同的形状的放大纵截面，
相同的数字用于提供了相同或至少类似特征的部件。
具体实施方式
图1的铸桶具有圆形的水平延伸的底部10，其具有上水平表面10o和下水平表面10u。大致圆柱形的铸桶壁12从铸桶底部10的外周10p向上延伸。铸桶的开口上端表示为数字14。
金属流MS由箭头M示出，其通过其开口端14进入铸桶中，在撞击铸桶底部10的上表面10u的冲击区域10i之前垂直地向下流动。
金属流的至少一部分继续其朝布置得偏离所述冲击区域10i的浇道16的流动(箭头F)，该浇道16从上表面10u延伸至下表面10o。
如图1中所示，所述浇道16填充有所谓的填充砂FS，并且可在浇道16之上看到砂锥SC。填充材料防止金属熔化物在填充铸桶期间接近浇道。其用于在铸桶填充时避免意外的出液。在这种情况下，其在浇铸过程中具有重要功能。
在根据图1的现有技术的铸桶中，砂SC可由熔化物流(箭头F)冲走，造成之后的浇铸过程中的严重不确定性和风险。该填充材料在由气体吹洗塞对熔化物的气体处理的情况下再至少部分地冲走，其中一个气体吹洗塞由GP示出和描绘。
根据图2、图3的新铸桶设计提供了围绕所述浇道16并偏离(与其有一定距离)冲击区域10i的扩散箱DB。
扩散箱DB的特征在于上表面10o内的凹部，即，相对于上表面10o的相邻区域加深的区段，并因此提供了沿所述扩散箱DB的边界(边界线)B的梯级S。扩散箱DB的上表面区段称为10od。所述梯级S的垂直部分相对于底部上表面10o/10od的两个相邻区段形成直角。
扩散箱DB具有大致矩形的上表面10od。井喷嘴18(德语：Lochstein)布置在扩散箱DB的底部10d中。
所述井喷嘴18的中心贯穿开口限定浇道16的上部。
本来已知的内喷嘴20布置在所述井喷嘴18的下部内，随后是常规方式的具有滑板24、26以及外喷嘴22的滑动门，限定了浇道16的中部和下部。
浇道16填充有填料砂FS，其包括类似于图1的在井喷嘴18之上的砂锥SC。
所述扩散箱DB的尺寸如下：
-梯级S的高度h：100mm，
-长度：1370mm，宽度：1085mm，
-沿喷嘴20、22的浇道16的直径：80mm
-冲击区域10i(沿上表面10u)的中心点CP1与沿扩散箱DB的上表面的中心点CP2之间的距离：2200mm。
-铸桶底部10的内径：3530mm。
熔化物流M以常规方式撞击冲击区域10i(其中CP1为中心撞击点)，但其速度然后在其至浇道16的路线上由所述扩散箱DB并且尤其由所述梯级S减慢，这同时使熔化物流M重新定向了两次(图3：F、F'、F'')。
通过这种方式，填充材料FS受保护而免于被冲走，直到铸桶大概完全填充并且浇道16以常规方式打开。
填充材料甚至在熔化物的(常规)气体处理的情况中仍保持差不多无损并在其位置，因为之后的旋转熔化物相当程度地以大大减小的速度"流出"所述扩散箱的所述区域。安装在铸桶底部10中的若干气体吹洗塞中的一个示为GP。其中心纵轴线与CP2之间的距离为1020mm。
图3示出了布置得偏离铸桶壁12的扩散箱DB，即，具有沿周向延伸的边界线B和梯级S。其还包括在所述梯级前方和/或浇道16前方(在金属熔化物MS的流动方向F上所见)的形状为肋条R的屏障的可选特征以便进一步减小熔化物速度。在这种情况下，所述屏障布置得跨过(垂直于)CP1和CP2之间的直线，该直线为熔化物在其从冲击区域10i到浇道16的路线上的方向，由箭头F、F'、F''表示。该屏障可由一个或多个突出形状替换，包括：起伏的表面区段、坝、棱柱等。

Claims (14)

1.由耐火陶瓷体(10)制成的铸桶底部，其具有上表面(10o)、下表面(10u)以及在上表面(10o)与下表面(10u)之间延伸的浇道，其中，所述浇道(16)从由所述上表面(10o)的加深区段(10od)限定的扩散箱(DB)延伸，其中，所述扩散箱(DB)特征在于以下特征：
a)其布置得离所述铸桶底部用作用于金属熔化物浇到所述铸桶底部上的冲击区域(10i)的表面区域(10o)有一定水平距离，
b)其具有至少沿其面对所述冲击区域(10i)的边界(B)的垂直梯级(S)，其中，所述梯级(S)具有40到200mm之间的高度(h)，
c)其布置得离所述铸桶底部内的各个气体吹洗元件(18)有一定距离，
d)其具有最小水平区域Amin=(0.37r)2﹢0.3和最大水平区域Amax=(0.8r)2﹢0.3，其中，r=铸桶底部的半径，并且对于具有的有效半径≥2m的所有铸桶底部，r≥0.75m且rmax=2m，
e)所述浇道的入口端布置得偏离沿其面对所述冲击区域(10i)的边界(B)的所述梯级(S)。
2.根据权利要求1所述的铸桶底部，其特征在于，所述梯级(S)沿所述扩散箱(DB)的边界的至少75%延伸。
3.根据权利要求1所述的铸桶底部，其特征在于，所述梯级(S)沿所述扩散箱(DB)的整个边界延伸。
4.根据权利要求1所述的铸桶底部，其特征在于，限定所述扩散箱(DB)的外部几何形状的所述边界(B)具有矩形、圆形或椭圆形的形状。
5.根据权利要求1所述的铸桶底部，其特征在于，所述扩散箱(DB)的水平区域对应于所述铸桶底部的总表面积(10o)的3.7%到32.9%。
6.根据权利要求5所述的铸桶底部，其特征在于，所述扩散箱(DB)的水平区域等于或大于所述铸桶底部的总表面积的5.8%。
7.根据权利要求5所述的铸桶底部，其特征在于，所述扩散箱(DB)的水平区域等于或小于所述铸桶底部的总表面积的25.5%。
8.根据权利要求1所述的铸桶底部，其特征在于，所述浇道(16)布置得离沿面对所述冲击区域(10i)的边界(B)的所述梯级(S)有等于或大于所述浇道的最大水平延伸的3倍的距离。
9.根据权利要求1所述的铸桶底部，其特征在于，沿所述冲击区域(10i)的上表面的中心点(CP1)与沿所述扩散箱(DB)的上表面(10od)的中心点(CP2)之间的距离为所述铸桶底部的最大水平延伸的30%到75%。
10.根据权利要求1所述的铸桶底部，其特征在于，沿所述冲击区域(10i)的上表面的中心点(CP1)与沿所述扩散箱(DB)的上表面(10od)的中心点(CP2)之间的距离为所述铸桶底部的最大水平延伸的50%到65%。
11.根据权利要求1所述的铸桶底部，其特征在于，布置在所述铸桶底部(10)中的气体吹洗塞(18)的中心纵轴线与沿所述扩散箱(DB)的上表面(10od)的中心点(CP2)之间的距离为所述铸桶底部的最大水平延伸的30%到75%。
12.根据权利要求1所述的铸桶底部，其特征在于，布置在所述铸桶底部(10)中的气体吹洗塞(18)的中心纵轴线与沿所述扩散箱(DB)的上表面(10od)的中心点(CP2)之间的距离为所述铸桶底部的最大水平延伸的50%到65%。
13.根据权利要求1所述的铸桶底部，其特征在于，冲击区域(10i)与扩散箱(DB)之间的坝状突起(R)大致垂直于对应的金属熔化物在撞击所述冲击区域(10i)之后从所述冲击区域(10i)流入所述扩散箱(DB)中所沿的方向。
14.具有根据权利要求1所述的铸桶底部和可选地与权利要求2到13中的一项或多项的特征组合的冶金铸桶。
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