CN111482588B - 一种浸入式水口旋流发生器、中间包及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浸入式水口旋流发生器、中间包及应用，包括旋流发生器本体所述旋流发生器本体的顶端中心位置开设有阶梯孔，所述旋流发生器本体的顶部设置有若干叶片，所述叶片的一端与所述旋流发生器本体的外圆曲率一致，所述叶片远离所述旋流发生器本体外圆的一端与所述阶梯孔孔壁的曲率一致，且两两所述叶片之间构成旋流腔。有益效果：结构简单，设计合理，改善了浸入式水口内部流场分布的均匀性，从而显著提高结晶器中钢液流动的稳定性，进而有助于提高钢产品的质量。

Description

一种浸入式水口旋流发生器、中间包及应用

技术领域

本发明涉及金属冶炼及加工技术领域，具体来说，涉及一种浸入式水口旋流发生器、中间包及应用。

背景技术

随着社会的发展，对钢材性能的要求越来越高。改善中间包和连铸结晶器中钢水的流动状况，对于提高钢产品的质量和生产率具有重要意义。在连铸过程中，中间包和结晶器是去除钢水中夹杂物的最后的冶金容器。结晶器中的钢水的流场分布直接影响着钢水中夹杂物的去除和钢水在结晶器中的凝固。其中，在结晶器中产生旋流可以显着优化钢水在结晶器中的运动状态，改善结晶器中钢液的凝固，从而提高钢产品的质量。

近些年，在结晶器外施加电磁搅拌驱动结晶器中的钢水产生旋流的方法被广泛应用，但是在结晶器外使用电磁搅拌的方法需要将结晶器和电磁搅拌装置设计到一起，这样的方法需要额外投入电磁设备，高温条件下运行和维护成分较高。另外，在浸入式水口内部添加螺旋叶片直接在浸入式水口内部生成旋流，如此产生的旋流稳定性不佳，叶片在钢水中受到冲击，使用寿命有限。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种浸入式水口旋流发生器、中间包及应用，具备高效节能的优点，进而解决传统中间包钢液流动稳定性的问题。

(二)技术方案

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种浸入式水口旋流发生器，包括旋流发生器本体，所述旋流发生器本体的顶端中心位置开设有阶梯孔，所述旋流发生器本体的顶部设置有若干叶片，所述叶片的一端与所述旋流发生器本体的外圆曲率一致，所述叶片远离所述旋流发生器本体外圆的一端与所述阶梯孔孔壁的曲率一致，且两两所述叶片之间构成旋流腔。

作为改进，所述叶片沿所述旋流发生器本体圆周方向均匀分布，且所述叶片的数量为2～10个，所述叶片为弧形，从而在连铸过程中引导钢水在浸入式水口中形成旋流，进而可以有效减弱钢液从浸入式水口流入结晶器后的冲击深度，增强结晶器中钢流的稳定性，以保障连铸过程稳定进行，改善成品铸坯的中心裂纹、中心孔隙率和收缩率，减少铸坯的表面缺陷。

作为改进，所述叶片的宽度为1cm～5cm，由耐火材料制作的在该厚度范围的叶片能够抵抗钢液的冲刷，同时在该范围调整叶片厚度能够优化所述旋流腔的宽度，以在引导钢水进入浸入式水口中形成旋流时提高效率。

作为改进，所述叶片的上端面与下端面所呈的夹角为0～45度，从而来优化所述旋流腔的结构，在一定范围调整所述旋流腔中钢液流动通道的横截面积，逐渐提高旋流腔中钢液流动速度，以进一步的提升旋流效果。

作为改进，所述阶梯孔的上半部与塞棒相配合，且上半部直径比塞棒的直径大0.5cm～2cm，所述阶梯孔的下半部与中间包的水口座砖相配合，且所述阶梯孔的下半部与水口座砖一致具有相同的拔模角度，从而使所述阶梯孔的上半部与塞棒过渡配合，保证了塞棒正常使用，同时所述阶梯孔下半部的尺寸与浸入式水口的入口处的座砖的尺寸匹配，保证了和浸入式水口的入口处的座砖匹配度。

作为改进，所述旋流腔的中心线弧度与所述叶片的弧度一致，从而使钢水由所述旋流腔流出时具有离心初始速度，进而带动钢水连续不断的产生旋流。

作为改进，所述旋流腔的宽度由所述旋流发生器本体的圆周外侧向圆心方向递减，从而进一步优化了所述旋流腔的结构，在一定范围调整所述旋流腔中钢液流动通道的横截面积，逐渐提高旋流腔中钢液流动速度，以进一步的提升旋流效果。

根据本发明的另一方面，提供了一种带有浸入式水口旋流发生器的中间包。

该带有浸入式水口旋流发生器的中间包，包括箱体，所述箱体左侧顶部设置有长水口，所述长水口的下方且位于所述箱体底部设置有湍流控制器，所述湍流控制器一侧设置有挡渣坝，所述挡渣坝远离所述湍流控制器一侧设置有一号堰，所述一号堰远离所述挡渣坝的一侧设置有二号堰，所述箱体的右侧底端设置有浸入式水口，所述浸入式水口的顶端且位于所述箱体的内部设置有旋流发生器，所述旋流发生器的顶端设置有塞棒。

作为改进，所述挡渣坝由所述箱体的顶端延伸至所述箱体底部，且所述挡渣坝的底端低于所述一号堰的顶端，从而使所述挡渣坝与所述箱体之间形成了钢水流通的通道，与所述一号堰相配合，减缓了钢水流入时的冲击深度，进而可以有效的提升钢产品质量。

根据本发明的又一方面，提供了一种浸入式水口旋流发生器的应用，所述浸入式水口旋流发生器应用在钢材连铸中间包中。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种浸入式水口旋流发生器、中间包及应用，具备以下有益效果：

(1)本发明提供的浸入式水口旋流发生器，结构简单，设计合理，改善了浸入式水口内部流场分布的均匀性，从而显著提高结晶器中钢液流动的稳定性，进而有助于提高钢产品的质量。

(2)本发明提供的浸入式水口旋流发生器，通过设置旋流发生器本体与叶片及旋流腔相配合，从而使钢水在有浸入式水口进入旋流发生器本体流形成旋流，在浸入式水口中产生旋流会促使钢液中质量较轻的夹杂物在离心力的作用下向旋流中心聚集，以使较小夹杂物相互结合变大，使器结晶器中更容易上浮方便去除，同时，降低了夹杂物堵塞浸入式水口的概率。

(3)本发明提供的浸入式水口旋流发生器，旋流的形成能够减少钢液注流在进入结晶器后的冲击深度，改善结晶器内壁和钢液之间的传质传热性能，有利于连铸过程的稳定进行，减少铸坯表面缺陷、中心疏松及径向裂纹，从而提高铸坯产品的质量。

(4)本发明提供的带有浸入式水口旋流发生器的中间包，从而提高了中间包内钢水流场分布的均匀性，减少钢液注入中间包进入结晶器后的冲击深度，进而改善结晶器内壁和钢液之间的传质传热性能。

(5)本发明提供的浸入式水口旋流发生器的应用，改变了传统旋流发生设备投入成本高，使用寿命短的情况，进而节省了在钢材连铸过程中中间包的设备投入。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的浸入式水口旋流发生器的结构示意图；

图2是图1中A-A的剖视图；

图3是根据本发明实施例的浸入式水口旋流发生器的叶轮的结构示意图；

图4是带有浸入式水口旋流发生器的中间包的结构示意图；

图5是旋流发生器的3D视图；

图6是旋流发生器尺寸和取样平面分布图；

图7是传统中间包和使用旋流发生器的中间包内YZ平面速度分布对比图；

图8是传统中间包和使用旋流发生器的中间包浸入式水口附近流场分布对比图；

图9是传统中间包和使用旋流发生器的中间包浸入式水口内部流场分布对比图；

图10是传统中间包和使用旋流发生器的中间包浸入式水口内部速度分布对比图；

图中：

1-旋流发生器本体；2-叶片；3-阶梯孔；4-旋流腔；5-浸入式水口；6-塞棒；7-长水口；8-湍流控制器；9-挡渣坝；10-一号堰；11-二号堰；12-箱体。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种浸入式水口旋流发生器。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，参见图1-3所示，根据本发明实施例的浸入式水口旋流发生器，包括旋流发生器本体1，所述旋流发生器本体1的顶端中心位置开设有阶梯孔3，所述旋流发生器本体1的顶部设置有若干叶片2，所述叶片2的一端与所述旋流发生器本体1的外圆曲率一致，所述叶片2远离所述旋流发生器本体1外圆的一端与所述阶梯孔3孔壁的曲率一致，且两两所述叶片2之间构成旋流腔4，其中所述旋流发生器本体1的直径范围为300-600mm。

借助于上述方案，从而使结构简单，设计合理，改善了浸入式水口内部流场分布的均匀性，从而显著提高结晶器中钢液流动的稳定性，进而有助于提高钢产品的质量。

具体实施时，所述叶片2沿所述旋流发生器本体1圆周方向均匀分布，且所述叶片2为弧形，且所述叶片2的数量为2～10个，所述叶片2为弧形，此处所述叶片2的数量优化为6个，从而在连铸过程中引导钢水在浸入式水口中形成旋流，进而可以有效减弱钢液从浸入式水口流入结晶器后的冲击深度，增强结晶器中钢流的稳定性，以保障连铸过程稳定进行，改善成品铸坯的中心裂纹、中心孔隙率和收缩率，减少铸坯的表面缺陷。

具体实施时，所述叶片2的宽度为1cm～5cm，此处所述叶片2的宽度优化为2cm，所述叶片2由耐火材料制作的在该厚度范围的叶片能够抵抗钢液的冲刷，同时在该范围调整叶片厚度能够优化所述旋流腔4的宽度，以在引导钢水进入浸入式水口中形成旋流时提高效率。

具体实施时，所述叶片2的上端面与下端面所呈的夹角为0～45度，此处所述叶片2的上端面与下端面所呈的夹角优化为15度，从而来优化所述旋流腔4的结构，在一定范围调整所述旋流腔4中钢液流动通道的横截面积，逐渐提高旋流腔中钢液流动速度，以进一步的提升旋流效果。

具体实施时，所述阶梯孔3的上半部与塞棒相配合，且上半部直径比塞棒的直径大0.5cm～2cm，所述阶梯孔3的下半部与中间包的水口座砖相配合，且所述阶梯孔3的下半部与水口座砖一致具有相同的拔模角度，从而使所述阶梯孔3的上半部与塞棒过渡配合，保证了塞棒正常使用，同时所述阶梯孔3下半部的尺寸与浸入式水口的入口处的座砖的尺寸匹配，保证了和浸入式水口的入口处的座砖匹配度。

具体实施时，所述旋流腔4的中心线弧度与所述叶片2的弧度一致，从而使钢水由所述旋流腔4流出时具有离心初始速度，进而带动钢水连续不断的产生旋流。

具体实施时，所述旋流腔4的宽度由所述旋流发生器本体1的圆周外侧向圆心方向递减，从而进一步优化了所述旋流腔4的结构，在一定范围调整所述旋流腔4中钢液流动通道的横截面积，逐渐提高旋流腔中钢液流动速度，以进一步的提升旋流效果。

根据本发明的实施例，还提供了一种带有浸入式水口旋流发生器的中间包，参见图4所示，根据本发明实施例的带有浸入式水口旋流发生器的中间包，该带有浸入式水口旋流发生器的中间包，包括箱体12，所述箱体12左侧顶部设置有长水口7，所述长水口7的下方且位于所述箱体12底部设置有湍流控制器8，所述湍流控制器8一侧设置有挡渣坝9，所述挡渣坝9远离所述湍流控制器8一侧设置有一号堰10，所述一号堰10远离所述挡渣坝9的一侧设置有二号堰11，所述箱体12的右侧底端设置有浸入式水口5，所述浸入式水口5的顶端且位于所述箱体12的内部设置有旋流发生器1，所述旋流发生器1的顶端设置有塞棒6。

具体实施时，所述挡渣坝9由所述箱体12的顶端延伸至所述箱体12底部，且所述挡渣坝9的底端低于所述一号堰10的顶端，从而使所述挡渣坝与所述箱体之间形成了钢水流通的通道，与所述一号堰相配合，减缓了钢水流入时的冲击深度，进而可以有效的提升钢产品质量。

根据本发明的实施例，还提供了一种浸入式水口旋流发生器的应用，参见图4所示，所述浸入式水口旋流发生器应用在钢材连铸中间包中。

工作原理：使用时将旋流发生器本体1安装在浸入式水口5入口上方，当钢水通过浸入式水口5进入旋流发生器本体1时在叶片2及两两叶片2所构成的旋流腔4的作用下，产生旋流效果，钢水由旋流腔4流出时，由于叶片2的上端面与下端面所呈的夹角为0～45度，以此来优化旋流腔4的结构，在一定范围调整旋流腔4中钢液流动通道的横截面积，逐渐提高旋流腔中钢液流动速度，进而提高浸入式水口内部流场分布的均匀性，显著提高结晶器中钢液流动的稳定性。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下结合数值模拟验证对本发明的上述方案的进行详细说明，具体如下：

通过计算流体动力学(CFD)模拟的方法探究了该装置产生的旋流效果，参见图4-5该结构的中间包被用来开展数值模拟工作以验证本发明的旋流发生器的工作效果，方案中的所述旋流发生器本体1安装在浸入式水口入口上方。

参见图5和图6，所述旋流发生器本体1中设计了6个所述叶片2以在连铸过程中引导钢水在浸入式水口中形成旋流，所述旋流发生器本体1安装在浸入式水口入口上方，所述旋流发生器本体1的顶端安装有塞棒6，所述阶梯孔3下半部分的尺寸与浸入式水口5的入口处的座砖的尺寸匹配，所述阶梯孔3上部分的尺寸稍大于塞棒尺寸且在装配时使塞棒6的轴线与所述阶梯孔3的轴线重合，以保证塞棒的使用。

本方案中采用数值模拟手段，对比使用本发明的旋流发生器的中间包和传统中间包中流场的分布，验证本发明的旋流发生器的工作效果。模拟数据显示，旋流发生器的使用主要有以下作用：

1、旋流发生器的使用不会严重影响中间包内部的流场；

参见图9-10在挡渣坝9左侧的冲击区内，这两种情况的流动特性非常相似。在挡渣坝9的右侧，钢水在坝和堰的引导下在中间包右侧形成较大的回旋流动。通过对比可以发现，使用了旋流发生器的中间包在旋转区域的旋转流和传统中间包形成的旋流存在区别。这种区别仅仅局限在速度较低的旋流区，旋流发生器的应用对中间包内部高速流动区域的影响十分有限。正如图9a与图9b中两种中间包在YZ平面上速度分布云图所示。两种情况在位于中间包左侧的冲击区有相似的流场分布，同时，在中间包右侧区域中贴近中间包上表面的部分的流场分布也是几乎一致的。综上所述，旋流发生器的应用并不会给传统中间包内部的流场分布带来太大的扰动。更为重要的是，对比图7a与图7b可以发现，在传统中间包中，靠近浸入式水口入口附近的流场分布在塞棒的两侧并不对称，而旋流发生器的应用有效地消除了这种流场分布不对称的现象。

2、旋流发生器能够有效引导钢液产生旋流；

参见图8该平面所在位置为图5中所示的平面7，该平面与中间包底部的距离为70mm。在传统中间包内，越靠近塞棒处的速度越大，随着离塞棒距离的增加，速度迅速降低到一个较小值(需要注意的是中间圆形的孔为塞棒所在的位置)。而旋流发生器的应用能够引导钢水在所述旋流腔4内部流动，各个所述旋流腔4中流场分布大致相同，越靠近塞棒速度越大。

3、旋流发生器能在浸入式水口内部产生稳定的旋流；

参见图9a与图9b在传统中间包中，流线全部以接近平行的关系在浸入式水口中流动。而在使用了旋流发生器的中间包的浸入式水口中流线呈现出稳定的螺旋线分布，这表明旋流发生器的应用可以在浸入式水口中产生稳定的旋流。至于YZ平面中的速度云图，在传统中间包中在浸入式水口的高速区域出现在浸入式水口中心位置。而在使用旋流发生器后，高速区域出现在靠近浸入式水口中壁面的位置，这是旋流的一个典型特征。观察平面1到平面6上的速度分布情况。在传统中间包中，最大速度随着从中间包底部到平面的距离的增加而减小。在平面1中观察到不均匀的速度分布，并且从平面2到平面6的速度分布更加均匀，但是不均匀现象并没有完全消除。而在应用旋流发生器后，在浸入式水口中的各个横截面上的速度分布更加均匀和稳定。虽然平面的低速区域的面积随着从浸入式水口的入口向下到平面6的距离的增加而扩大，最大速度的区域随之减小，但是这是旋流的正常的耗散，在靠近浸入式水口出口处依旧保持了较高的旋流强度。

参见图10a与10b，图10中针对图9中所示的平面1到平面6沿Z轴作对应的线1到线6并取各线上的速度分布。可以看到传统中间包中的高度区域出现在浸入式水口中间，使用旋流发生器后浸入式水口中间区域速度较低，高速区域出现在靠近壁面附近。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过设置所述旋流发生器本体1与所述叶片2及所述旋流腔4相配合，从而使钢水在有浸入式水口进入所述旋流发生器本体1流形成旋流，在浸入式水口中产生旋流会促使钢液中质量较轻的夹杂物在离心力的作用下向旋流中心聚集，以使较小夹杂物相互结合变大，使器结晶器中更容易上浮方便去除，同时，降低了夹杂物堵塞浸入式水口的概率。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种浸入式水口旋流发生器，其特征在于，包括旋流发生器本体(1)，所述旋流发生器本体(1)的顶端中心位置开设有阶梯孔(3)，所述旋流发生器本体(1)的顶部设置有若干叶片(2)，所述叶片(2)的一端与所述旋流发生器本体(1)的外圆曲率一致，所述叶片(2)远离所述旋流发生器本体(1)外圆的一端与所述阶梯孔(3)孔壁的曲率一致，且两两所述叶片(2)之间构成旋流腔(4)；

所述叶片(2)沿所述旋流发生器本体(1)圆周方向均匀分布，且所述叶片(2)的数量为2～10个，所述叶片(2)为弧形，所述叶片(2)的宽度为1cm～5cm，所述叶片(2)的上端面与下端面所呈的夹角为0～45度；

所述阶梯孔(3)的上半部与塞棒相配合，且上半部直径比塞棒的直径大0.5cm～2cm，所述阶梯孔(3)的下半部与中间包的水口座砖相配合，且所述阶梯孔(3)的下半部与水口座砖一致具有相同的拔模角度；

所述旋流腔(4)的中心线弧度与所述叶片(2)的弧度一致；所述旋流腔(4)的宽度由所述旋流发生器本体(1)的圆周外侧向圆心方向递减。

2.一种带有浸入式水口旋流发生器的中间包，所述浸入式水口旋流发生器为权利要求1中所述的浸入式水口旋流发生器，其特征在于，该带有浸入式水口旋流发生器的中间包包括箱体(12)，所述箱体(12)左侧顶部设置有长水口(7)，所述长水口(7)的下方且位于所述箱体(12)底部设置有湍流控制器(8)，所述湍流控制器(8)一侧设置有挡渣坝(9)，所述挡渣坝(9)远离所述湍流控制器(8)一侧设置有一号堰(10)，所述一号堰(10)远离所述挡渣坝(9)的一侧设置有二号堰(11)，所述箱体(12)的右侧底端设置有浸入式水口(5)，所述浸入式水口(5)的顶端且位于所述箱体(12)的内部设置有旋流发生器本体(1)，所述旋流发生器本体(1)的顶端设置有塞棒(6)。

3.根据权利要求2所述的一种带有浸入式水口旋流发生器的中间包，其特征在于，所述挡渣坝(9)由所述箱体(12)的顶端延伸至所述箱体(12)底部，且所述挡渣坝(9)的底端低于所述一号堰(10)的顶端。

4.一种浸入式水口旋流发生器的应用，所述浸入式水口旋流发生器为权利要求1中所述的浸入式水口旋流发生器，其特征在于，所述浸入式水口旋流发生器应用在钢材连铸中间包中，所述中间包为权利要求2中所述的带有浸入式水口旋流发生器的中间包。

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