CN109604552B - 一种采用负压稳定浇注的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用负压稳定浇注的方法及装置，包括钢包、密封装置、耐高温密封圈、附属侧壁、长水口、压力表、换气阀、氩气增压泵、交流变压装置、二级旋片式真空泵、过载保护装置；与钢包相连通的长水口设置在钢包底部，水口开关与长水口连接，钢包顶部设有密封装置，附属侧壁焊接在钢包顶部的外壁圆周上，附属侧壁顶面设有凹槽，密封装置底面边缘设有与凹槽相配合的凸销，在密封装置和附属侧壁之间设有层耐高温密封圈，钢包经管路与换气阀连接，换气阀经管路与氩气增压泵、二级旋片式真空泵连接。优点是：减小对中间包耐材的冲击，提高铸坯质量；给钢包封闭的装置结构简单，装置都不与钢液接触，不会损耗，使用寿命长。

Description

一种采用负压稳定浇注的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种采用负压稳定浇注的方法及装置。

背景技术

连铸是当代钢铁工艺中发展最快的技术，其运动过程是将钢液转变为固态钢的过程，钢液要经历钢包→上水口→中间包→下水口→结晶器→二次冷却→空冷区→切割铸坯的工序。

钢包是用于盛装和运载钢液，在钢包底部一侧设置一个注钢口。它可使钢液流出，所以又称钢包水口。在其周围安装水口砖。现在大部分是通过改进滑动水口装置及长水口装置来控制钢包中钢液的流量。滑动水口是通过两块带水口孔的上、下滑板砖之间相对移动，达到开闭、调节钢液流量大小的目的，而塞棒由包裹着耐火材料的钢管所组成，同钢包水口座砖相配合，塞棒在电动执行机构的带动下做上下直线运动，通过改变塞棒与钢包水口砖的开口度，从而来改变钢水的流量。

目前，控制钢包经水口向中间包注入钢液的流量的主要是通过滑板或塞棒来实现的，具体是通过上下滑板的相对移动来限制钢液流经的面积，或通过塞棒的上下运动来调节钢液流经的面积来实现的，开口度大，钢液流量就大，反之亦然。因此，实际浇注过程中，钢液不是充满水口的，不同的流量，流经水口的面积是不同的，但是对于任意流股的钢液都是做自由落体运动，流入中间包速度较大，对中间包冲刷严重，会侵蚀耐材，污浊钢液。因此，需要对现有技术进行改进，做到给钢包密封并使钢包内真空，在钢包水口充满钢液的情况下克服钢液向下流动重力带来的冲击，减缓水口的钢液对中间包熔池液面的冲击力及波动，进而减少钢液对中间包耐材的冲击，使得钢液的纯净度提高，并提高中间包的使用寿命，提高铸坯的质量。

中国专利申请号：201810576950.7，公开了一种连铸用自旋流长水口，该专利的旋流引导装置使钢液的速度由竖直方向改变为旋流切线方向，减少了钢液在竖直方向上的冲击深度。但该装置并不能减小钢液的速度，会对中间包侧壁有冲击。并且该旋流引导装置在浇注过程中受钢液冲刷会非常严重，装置中的夹杂成分必然会脱落而进入钢液中，使钢液纯净度降低，铸坯质量下降。

中国专利申请号：201810049299.8，公开了一种保护浇注用的冶金水口及保护浇注的方法，雨化水口结构排布科学，钢流雨化成滴后，减小了对中间包内衬的冲击，使得钢液流程变短，流动平静。但是该专利是在真空室内将钢液雨化成液滴的，液滴在下落过程中不会受到空气阻力，使得下落速度会变大，会对中间包耐材造成更加严重的冲击，并且该发明要求喷入的氩气温度非常高，将会导致加热氩气的装置非常复杂且庞大，对经济效益造成不良影响。

中国专利申请号：201320565052.4，公开了一种耗散型钢包长水口，该装置虽然能够减少钢液的流速，降低钢液对局部中间包耐火材料的冲击。但是通过增大水口截面积耗散速度起到的作用只是微弱的，无法从根本上解决降低流速问题，更无法实现恒速浇注，对耐材的冲刷力会使钢液中混有耐材材料，不利于提高钢液的纯净度。

中国专利申请号：201510166805.8，公开了一种长水口插入式开浇装置及方法，该开浇装置包括钢包上水口、钢包下水口、长水口和滑板机构，该装置是通过滑动水口来对钢液的流量进行控制的，对钢液流经水口的速度没有减小和恒速的作用，导致钢液对中间包耐材冲击严重，使中间包维修成本较大，并且该装置结构复杂，使用期间的保养与维护，也会造成生产成本的增加。中国专利申请号：200720148531.0，公开了一种具有螺旋紧固式滑板盒的钢包滑动水口装置，紧固安全可靠，不易松动，下水口砖与下滑板砖间配合紧密，不泄漏，该装置在滑动装置的安全性能上做了提高，但是在浇注中的作用和滑动水口装置一样，对做自由落体的钢液的下落速度没有影响，无法减轻钢液产生的冲击，对钢液纯净度及中间包的寿命都没有积极帮助。中国专利申请号：200810242589.0，公开了一种电磁感应加热钢包电磁流量阀铸造装置，加热钢包的侧壁上设有感应加热器，感应加热钢包的下方设滑动水口，实现了钢液的存储与加热保温，但是该装置在浇注过程中，控流方面是采用的滑动水口装置，该装置不能克服钢液面下降造成的流速变化，更无法实现恒速浇注。并且该装置运行成本高，且投资较大。中国专利申请号：201711297578.8，公开了一种钢包水口，相对于现有技术去掉了滑板，整个水口只有一个贴合面，降低了钢液漏出的可能性，并且通过旋转来实现开关，使下水口不会移动，完成定点浇注。但该专利依然是通过改变钢液流经水口的面积来改变流量的，对做自由落体运动的钢液来说，钢液速度依然非常大，使得浇注过程中中间包耐材受到巨大冲击，中间包使用寿命大大缩减。

中国专利申请号：201210284788.4，公开了一种连铸中间包钢液加热方法，首先将长水口安装在钢包与中间包之间，然后将电磁感应器安装在长水口周围，通过测定水口处的温度，自动控制电磁感应器的功率，对流经长水口的钢液实施加热，但是该装置忽略了钢液速度在浇注中的影响，导致具有较大速度的钢液对中间包耐材冲击力非常大，既降低了中间包的使用寿命，也会使中间包耐材进入钢液中，影响铸坯质量。

中国专利申请号：201010186667.7，公开了一种真空负压消失模的吸注方法及装置，在向盛有金属溶液的容器中加入精炼物质，一个精炼装置从容器的口部罩住精炼物质后向容器的底部移动，精炼装置对容器中的金属溶液进行旋转搅拌，通过精炼物质除去金属溶液中所含的气体以及打散金属溶液被氧化形成的晶粒；负压装置产生负压，容器内的金属溶液以3kg/s-5kg/s的流速通过控制装置导入到浇道系统中，浇道系统及铸件模样受金属溶液热量汽化形成型腔，金属溶液充满型腔冷却后形成铸件。但是该装置是将钢液吸入真空室导入浇注的过程，钢液在吸注阶段速度相当大，使真空室壁面受到巨大冲击；其次，在浇注过程中钢液速度的波动大，不能恒速浇注，也会对浇道及型腔造成严重的破坏。

综上，部分技术为控制钢液流入水口的面积来控制流量，钢液不充满水口，以耗散作用改变钢液流速，但这样的耗散作用微乎其微；部分技术存在对钢液雨化成液滴，在真空室内，钢液液滴不受空气阻力，液滴速度反而增大；部分技术用电磁保温技术，控流方面也是运用了滑动水口的控流原理，对钢液速度影响不大，并且造成大成本，降低经济效益；部分技术改变了钢液的流动方向，以此减小钢液进入中间包的进入深度，却对中间包侧壁造成严重冲刷；部分技术采用负压吸注，导致吸注速度大，而浇注速度波动范围大，速度不能恒定，对中间包影响依然巨大。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种采用负压稳定浇注的方法及装置，给钢包密封并使钢包内真空，在钢包水口充满钢液的情况下克服钢液向下流动重力带来的冲击，减缓水口的钢液对中间包熔池液面的冲击力及波动，进而减少钢液对中间包耐材的冲击，使得钢液的纯净度提高，并提高中间包的使用寿命，提高铸坯的质量。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种采用负压稳定浇注的方法，包括以下步骤：

a.将盛满钢液的钢包密封，并通过钢包回转台将钢包转至中间包上方；

b.确定钢包内钢液通过其底部长水口处的速度v₂，即：

式(1)中：H₀是钢包钢液液面至钢包底部高度；h是钢包底部长水口长度；

R是初液面半径；D是钢包底内直接；A₁是长水口横截面积；t是总浇注时间；

c.建立压强随时间变化的关系

式(2)中：P₀是钢包内钢液面所受压强；ρ是钢液密度；D_面是钢液初液面直径；θ是钢包侧壁与初液面夹角；d是长水口内直径；C_d是流量系数；α₁、α₂是动能修正系数；ζ是局部阻力系数；

1)确定钢包中钢液的雷诺数R_e

式(3)中：v_m是钢液在钢包中流动的平均速度；υ是钢液的运动粘度；

2)确定钢液的沿程阻力系数λ

根据雷诺数Re求λ：

3)确定钢液摩擦阻力损失h_w

钢液在管道中受到的阻力公式为：h_w＝h_f1+h_f2+h_j (5)

式(5)中：h_f1是钢包内沿程阻力损失；h_f2是长水口内沿程阻力损失；h_j是局部阻力；

钢包内沿程阻力损失h_f2：

式(6)中：v_xm1是钢包内钢液平均速度；

式(7)中：v_xm2是长水口内钢液平均速度；

局部阻力系数：

式(8)中：ζ是局部阻力系数；

d.通过PLC控制器控制氩气增压泵、真空泵，调整钢包内的负压，使其符合计算的P₀值，使通过钢包长水口的钢液速度v₂保持恒定。

一种采用负压稳定浇注的装置，包括钢包、密封装置、耐高温密封圈、附属侧壁、长水口、压力表、换气阀、氩气增压泵、PLC控制器、交流调压装置、真空泵、过载保护装置、电源、水口开关；

与钢包相连通的长水口设置在钢包底部，水口开关与长水口连接，钢包顶部设有密封装置，附属侧壁焊接在钢包顶部的外壁圆周上，附属侧壁顶面设有凹槽，密封装置底面边缘设有与凹槽相配合的凸销，在密封装置和附属侧壁之间设有层耐高温密封圈，钢包经管路与换气阀连接，换气阀经管路与氩气增压泵、真空泵连接，压力表用于检测钢包内部压力，压力表与PLC控制器相连接，PLC控制器与交流调压装置连接，电源经过载保护装置与交流调压装置连接，交流调压装置与真空泵连接；

浇注前，设定钢液流速，打开水口开关开始浇注，通过交流调压装置向真空泵供电，使真空泵运转，使钢包内形成真空环境，压力表测得钢包内压强的变化，反馈给PLC控制器，PLC控制器将收到的压强信号，发出调节信号给交流调压装置，当需要对钢包增压时交流调压装置调整电压使氩气增压泵工作，当需要对钢包减压时调整电压使真空泵调到二级，真空泵和氩气增压泵通过换气阀转换工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、钢液在整个浇注过程中注满整个水口，且水口内径均匀不变；

2、水口速度可以任意设置并且该速度只存在于竖直方向上，水口速度稳定，且易于计算和控制；

3、确立了钢包内负压与时间的关系，根据设置速度，调节负压力可克服钢液重力带来的影响从而使该速度达到恒定，减小对中间包耐材的冲击，提高铸坯质量；

4、给钢包封闭的装置结构简单，装置都不与钢液接触，不会损耗，使用寿命长。

附图说明

图1是采用负压稳定浇注的方法示意图。

图2是采用负压稳定浇注的装置的结构示意图。

图3是密封装置的连接示意图。

图中：1-钢包 2-密封装置 3-长水口 4-耐高温密封圈 5-压力表 6-换气阀 7-氩气增压泵 8-PLC控制器 9-交流调压装置 10-真空泵 11-过载保护装置 12-电源 13-附属侧壁 14-水口开关。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

见图1，一种采用负压稳定浇注的方法，包括以下步骤：

a.将盛满钢液的钢包1密封，并通过钢包1回转台将钢包1转至中间包上方；

b.确定钢包1内钢液通过其底部长水口3处的速度v₂，即：

式(1)中：H₀是钢包1钢液液面至钢包1底部高度，m；h是钢包1底部长水口3长度，m；

R是初液面半径，m；D是钢包1底内直接，m；A₁是长水口3横截面积，m²；t是总浇注时间，s；

c.建立压强随时间变化的关系

式(2)中：P₀是钢包1内钢液面所受压强，N；ρ是钢液密度，kg/m³；D_面是钢液初液面直径，m；θ是钢包1侧壁与初液面夹角，度；d是长水口3内直径，m；C_d是流量系数；α₁、α₂是动能修正系数；ζ是局部阻力系数；

1)确定钢包1中钢液的雷诺数R_e

式(3)中：v_m是钢液在钢包1中流动的平均速度，m/s；υ是钢液的运动粘度，m²/s；

2)确定钢液的沿程阻力系数λ

根据雷诺数Re求λ：

3)确定钢液摩擦阻力损失h_w

钢液在管道中受到的阻力公式为：h_w＝h_f1+h_f2+h_j (5)

式(5)中：h_f1是钢包1内沿程阻力损失，J/m³；h_f2是长水口3内沿程阻力损失，J/m³；h_j是局部阻力损失，J/m³；

钢包1内沿程阻力损失h_f1：

式(6)中：v_xm1是钢包1内钢液平均速度，m/s；

式(7)中：v_xm2是长水口3内钢液平均速度，m/s；

局部阻力系数：

式(8)中：ζ是局部阻力系数；

d.通过PLC控制器8控制氩气增压泵7、真空泵10，调整钢包1内的负压，使其符合计算的P₀值，使通过钢包1长水口3的钢液速度v₂保持恒定。

见图2，一种采用负压稳定浇注的装置，包括钢包1、密封装置2、耐高温密封圈4、附属侧壁13、长水口3、压力表5、换气阀6、氩气增压泵7、PLC控制器8、交流调压装置9、真空泵10、过载保护装置11、电源12、水口开关14；与钢包1相连通的长水口3设置在钢包1底部，水口开关14与长水口3连接，钢包1顶部设有密封装置2，附属侧壁13焊接在钢包1顶部的外壁圆周上，附属侧壁13顶面设有凹槽，密封装置2底面边缘设有与凹槽相配合的凸销，在密封装置2和附属侧壁13之间设有层耐高温密封圈4，钢包1经管路与换气阀6连接，换气阀6经管路与氩气增压泵7、真空泵10连接，压力表5用于检测钢包1内部压力，压力表5与PLC控制器8相连接，PLC控制器8与交流调压装置9连接，电源12经过载保护装置11与交流调压装置9连接，交流调压装置9与真空泵10连接。真空泵10可采用二级旋片式真空泵。长水口3内径从上至下不变。

浇注前，设定钢液流速，打开水口开关14开始浇注，通过交流调压装置9向真空泵供电，使真空泵运转，使钢包1内形成真空环境，压力表5测得钢包1内压强的变化，反馈给PLC控制器8，PLC控制器8将收到的压强信号，发出调节信号给交流调压装置9，当需要对钢包1增压时交流调压装置9调整电压使氩气增压泵7工作，当需要对钢包1减压时调整电压使真空泵10调到二级，真空泵10和氩气增压泵7通过换气阀6转换工作。

实施例1

见图1-图3，某炼钢厂第一炼钢厂，钢包1底直径D＝2.528m，高度H₀＝1.75m,钢包1下水口长度h＝0.405m,直径d＝0.05m,钢液密度ρ＝7.0kg/cm³,钢包1内径截面积A₀＝5.017m²,长水口3内径截面积A₁＝1.963×10-3m²,长水口3浸入钢液面深度0.336m；钢包1壁与钢包1水平面之间夹角75度，具体实施方式如下：

a.准备工作：

将盛满钢液的钢包1密封，并通过钢包1回转台将钢包1转至中间包上方。

b.根据式(1)确定钢包1下水口v₂值：

式(1)中，钢液面半径

浇注时间t＝40min，代入式(1)得v₂＝2.641m/s；

1)雷诺数的确定：

钢液在钢包1中流动的平均速度，v_m＝2.641m/s

υ：钢液的运动粘度，0.913×10^-6m²/s

d：长水口3直径，50mm

根据式(3)求得

2)沿程阻力系数的确定：

根据式(4)求λ；

得λ＝0.019

3)摩擦阻力系数的确定：

钢液流动受到阻力公式为：h_w＝h_f1+h_f2+h_j (5)

根据式(6)计算钢包1内沿程阻力损失：

v_xm1＝0.82v_xm2＝2.166m/s；

求得h_f1＝0.003J/m³；

根据式(7)计算长水口3内沿程阻力损失：

λ＝0.019；h＝0.405m；d＝50mm；v＝v_xm2＝2.641m/s；

求得h_f2＝0.055J/m³；

根据式(8)计算局部阻力损失；

ζ＝0.5；v＝v_max＝2.641m/s

求得h_j＝0.178J/m³

c.将所得数据带入式(2)

钢液液面直径

流量系数Cd＝0.6，α₁＝α₂＝1；

得出钢包1内压强与时间变化的确切关系如下

d.通过PLC控制器8控制氩气增压泵7、真空泵10，调整钢包1内合适的负压p₀,使通过下水口的钢液速度v₂保持恒定。浇注结束，钢包1回转台旋转到下一钢包1，按相同程序处理数据，继续进行生产操作。

Claims (2)

1.一种采用负压稳定浇注的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.将盛满钢液的钢包密封，并通过钢包回转台将钢包转至中间包上方；

b.确定钢包内钢液通过其底部长水口处的速度v₂，即：

式(1)中：H₀是钢包钢液液面至钢包底部高度；h是钢包底部长水口长度；

R是初液面半径；D是钢包底内直接；A₁是长水口横截面积；t是总浇注时间；

c.建立压强随时间变化的关系

式(2)中：P₀是钢包内钢液面所受压强；ρ是钢液密度；D_面是钢液初液面直径；θ是钢包侧壁与初液面夹角；d是长水口内直径；C_d是流量系数；α₁、α₂是动能修正系数；ζ是局部阻力系数；

1)确定钢包中钢液的雷诺数R_e

式(3)中：v_m是钢液在钢包中流动的平均速度；υ是钢液的运动粘度；

2)确定钢液的沿程阻力系数λ

根据雷诺数Re求λ：

3)确定钢液摩擦阻力损失h_w

钢液在管道中受到的阻力公式为：h_w＝h_f1+h_f2+h_j (5)

式(5)中：h_f1是钢包内沿程阻力损失；h_f2是长水口内沿程阻力损失；h_j是局部阻力；

钢包内沿程阻力损失h_f2：

式(6)中：v_xm1是钢包内钢液平均速度；

式(7)中：v_xm2是长水口内钢液平均速度；

局部阻力系数：

式(8)中：ζ是局部阻力系数；

d.通过PLC控制器控制氩气增压泵、真空泵，调整钢包内的负压，使其符合计算的P₀值，使通过钢包长水口的钢液速度v₂保持恒定。

2.实现权利要求1所述方法的一种采用负压稳定浇注的装置，其特征在于，包括钢包、密封装置、耐高温密封圈、附属侧壁、长水口、压力表、换气阀、氩气增压泵、PLC控制器、交流调压装置、真空泵、过载保护装置、电源、水口开关；

与钢包相连通的长水口设置在钢包底部，水口开关与长水口连接，钢包顶部设有密封装置，附属侧壁焊接在钢包顶部的外壁圆周上，附属侧壁顶面设有凹槽，密封装置底面边缘设有与凹槽相配合的凸销，在密封装置和附属侧壁之间设有层耐高温密封圈，钢包经管路与换气阀连接，换气阀经管路与氩气增压泵、真空泵连接，压力表用于检测钢包内部压力，压力表与PLC控制器相连接，PLC控制器与交流调压装置连接，电源经过载保护装置与交流调压装置连接，交流调压装置与真空泵连接；

浇注前，设定钢液流速，打开水口开关开始浇注，通过交流调压装置向真空泵供电，使真空泵运转，使钢包内形成真空环境，压力表测得钢包内压强的变化，反馈给PLC控制器，PLC控制器将收到的压强信号，发出调节信号给交流调压装置，当需要对钢包增压时交流调压装置调整电压使氩气增压泵工作，当需要对钢包减压时调整电压使真空泵调到二级，真空泵和氩气增压泵通过换气阀转换工作。

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