CN112191835A - “都江堰”式多级底漩型稳流器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种“都江堰”式多级底漩型稳流器，解决了现有稳流器稳流性能有待进一步提高、夹杂去除效果不佳的问题。技术方案包括开有空腔的本体，所述本体顶面开口与空腔连通，所述空腔的底面环形阵列式排布有多个导流墩，所述多个导流墩包括一个位于空腔底面中心的中心导流墩和外环设有的至少一层环形均布的多个外导流墩；所述中心导流墩和外导流墩的高度由中心至外环逐层降低。本发明结构简单、成本低、缓冲开浇钢液注流、减少二次氧化、有效捕捉和去除开浇夹杂，特别是降低钢液中大型夹杂量。
Description
技术领域
本发明涉及一种冶炼领域，具体的说一种用于连铸中间包的稳流器。
背景技术
近年来，我国高品质钢得到了迅猛发展，到2019年总产量已达到2.3亿吨。高品质钢广泛应用于各个行业，由于需求的牵引，对高品质钢的洁净度要求越来越高，提高和稳定钢材质量的关键是进一步降低钢中非金属夹杂水平。
通过对炼钢-精炼-连铸全过程取样调查，发现连铸开浇阶段产生的夹杂，即开浇夹杂，是高品质钢中夹杂，特别是大型夹杂的主要来源之一。连铸开浇阶段钢中夹杂激增，严重影响了高品质钢质量的稳定性。我国高品质钢的质量水平与国际先进水平存在一定差距，主要原因是钢中最大夹杂尺寸高于国外先进的高品质钢，使性能降低，而大型夹杂主要来源于开浇阶段。目前，国内应对开浇阶段钢液中夹杂激增的问题，主要措施是将开浇前两块坯降级改钢。
我国高品质钢一般连浇炉数不高，开浇前两块坯降级改钢，导致开浇降级的钢坯量约占高品质钢产量的6‰左右，按全国高品质钢产量2.3亿吨计，则每年至少有130万吨开浇阶段的高品质钢被降级改钢甚至判废，给钢厂带来极大的经济损失，同时浪费了大量人力和资源，社会损失也较大。另一方面，对于国外钢铁强国，虽然程度不同，但开浇夹杂也是限制高品质钢质量的重要问题之一。
因此，如何高效地控制连铸开浇阶段中间包内的夹杂数量是进一步提升高品质钢质量的一个重要技术关键。中间包开浇夹杂多的主要原因是开浇阶段是连铸过程中最激烈、最不稳定的一个阶段。连铸开浇阶段具有钢液流速快、流量大和夹杂数量多(大型夹杂数量最多)的特点。
为解决上述技术问题，现有技术通常在连铸中间包长水口的正下方设置稳流器，通常稳流器具有一个接受钢水冲击的空腔，如CN206689410U公开了一种预制构件，包括圆柱形槽体，所述的圆柱形槽体的槽腔底部还设有一个倒锥形的凸起结构，所述的凸起结构与圆柱形槽体为一体成型的整体结构，钢水冲入本实用新型内部后，先被倒锥形的凸起结构分向两边，因此不会直接冲击到稳流器底部，稳流器底部不会被钢水击穿。该稳流器可以免去冲击砖，降低了耐火材料消耗，但并没有解决如何降低钢液中大型夹杂数量的技术问题。又如CN203437605U公开了一种挡渣稳流一体冲击杯，包括安装在钢水中间包中的稳流器、挡渣保护墙以及侧壁加强板，所述冲击杯内部为一个上大下小的倒梯形结构；所述冲击杯下方设有稳流器；稳流器的外侧设有挡渣保护墙；所述冲击杯内部的稳流器、挡渣保护墙、侧壁加强板为一体式结构。本实用新型提高了中间包冲击区域的使用性能，降低劳动强度、提高施工效率，降低产品成本，提高了中间包使用寿命。但这种结构由于设置的是溢流孔，缺少残钢口，浇注残余钢液无法溢出，严重时甚至会导致凝钢事故。且稳流器内部为原始的桶型稳流器，可以减少钢液注流对中间包包底的直接冲蚀，但缺少流体控制手段，对快速稳定钢液流场作用较小。可以使夹杂物吸附的区域只有梯形壁面，减少了开浇夹杂吸附去除的几率的问题。并没有真正意义上解决钢液中大型夹杂数量的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、成本低、缓冲开浇钢液注流、减少二次氧化、有效捕捉和去除开浇夹杂，特别是降低钢液中大型夹杂量的“都江堰”式多级底漩型稳流器。
技术方案包括开有空腔的本体，所述本体顶面开口与空腔连通，所述空腔的底面环形阵列式排布有多个导流墩，所述多个导流墩包括一个位于空腔底面中心的中心导流墩和外环设有的至少一层环形均布的多个外导流墩；所述中心导流墩和外导流墩的高度由中心至外环逐层降低。
所述中心导流墩高度为空腔高度的2/9～5/9，相邻两层导流墩的高度差为10～20cm。
相邻两个导流墩间距为5-10cm。
所述空腔具有球形的壁面以及相互平行的顶面和底面。
所述空腔的最大直径为最小直径的1.1～1.2倍。
每个导流墩直径为所述空腔底面直径的1/6～1/8。
所述球形的壁面沿纵向由多个相连的斜面组成。
所述本体的开口直径为长水口内径的3～6倍。
所述中心导流墩外环设有两层环形均布的外导流墩，包括均布的多个中圈导流墩和多个外圈导流墩。
本发明通过在空腔底部设置环形阵列的柱形导流墩，使开浇钢流冲击稳流器后在空腔内发生激烈转向，根据水力学的基本理论，向下冲击的液流受到阻滞转向时主流的一部分将转变为向下漩流，向下漩流将耗散开浇钢流的动能，从而减轻开浇钢流对稳流器的冲刷；多层外环布置的多个外导流墩通过扰流使钢流中的涡旋进一步细碎化，在稳流器内形成向下的旋滚流有效的消减钢流的冲击，而且在多级漩流的底部受钢流曳力、涡旋向心力和浮力的共同作用夹杂的运动速度降低于碰撞粘附的阈值速度，有利于夹杂物通过碰撞粘附于导流墩去除。
与传统稳流器相比，本发明稳流器的开浇流场由于导流墩从中心到外环高度逐级递减，开浇钢流流经导流墩后由于阶梯状下切流的边界层拉伸作用将逐级分流为主流和底部漩流，即形成多级漩流，其中，由于向心力和钢流曳力的作用夹杂将汇集于漩流，不再流向下游，更有利于在早期去除夹杂，特别是大型夹杂，大大提高了钢液的净化程度，有效解决了背景技术中存在的问题。
优选的，所述中心导流墩高度为空腔高度的2/9～5/9，相邻两层导流墩的高度差为10～20cm，高度差过大导流墩之间的势能会转换为动能，加快钢液流速破坏开浇流场的稳定性，同时会引起钢液飞溅造成二次氧化增加外生夹杂。过小则导流墩之间难以形成向下的旋滚流，对钢液注流冲击的消减效果不显著。
所述球形的壁面沿纵向由多个相连的斜面组成，形成一个类似蜂窝状的壁面结构，相较于弧面而言，蜂窝状的壁面结构使稳流器具有更大的壁面面积和空腔体积，增加钢液在稳流器内的停留时间，使开浇夹杂与附着表面的接触几率增大，从而提升大尺寸夹杂去除率。
本发明与现有技术相比，具有以下积极效果：
1、本发明结构极为简单，各部件均为耐火材料，成本低廉。
2、簇状导流墩的阶梯状高度差容易形成多级漩流，在排走开浇钢流的同时形成向下漩流，利用漩流的向心力和向下钢流的曳力捕捉开浇夹杂；同时，在多级漩流的底部受钢流曳力、涡旋向心力和浮力的共同作用夹杂的运动速度降低于碰撞粘附的阈值速度，有利于夹杂物通过碰撞粘附于导流墩去除。
3、开浇钢流冲击稳流器后将发生激烈转向，向下冲击的液流受到阻滞转向时主流的一部分将转变为向下漩流，在液面以下漩流和渗流共同作用可使表面波在振荡中快速衰减，从而有效的消减液面波动。
4、导流墩之间有5-10mm的间距，提供了较大的粘附捕捉空间，因此不会轻易堵塞，具有较长的工作时间。
因此，本发明稳流器不仅具有结构简单和成本低廉的特点，且能改善中间包注流区流场状态，向下旋滚流的形成可以有效消减钢流的冲击，捕捉开浇夹杂。
附图说明
图1为本发明结构俯视图；
图2为本发明结构纵向截面图；
图3为本发明结构尺寸图；
图4为本发明安装状态图；
图5为本发明开浇流场流线图；
图6为传统稳流器开浇流场流线图；
图7为底旋型稳流器开浇液面。
其中，1-开口、2-空腔、2.1-顶面、2.2-底面、2.3-壁面、3-导流墩、3.1-中心导流墩、3.2-中圈导流墩、3.3-外圈导流墩、4-本体、6-连铸中间包长水口、5-连铸中间包底。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步解释:
参见图1和图2，本体4内开有空腔2，所述空腔2具有球形的壁面2.3以及相互平行的顶面2.1和底面2.2，优选的，所述球形的壁面2.3沿纵向由多个相连的斜面组成(如3个或4个依次相连的斜面)，所述本体顶面开口1与空腔2连通，所述空腔2的底面2.2环形阵列式排布有多个圆柱形的导流墩3，所述多个导流墩3包括一个位于空腔底面2.2中心的中心导流墩3.1和外环设有的至少一层环形均布的多个外导流墩；所述中心导流墩和外导流墩的高度由中心至外环逐层降低，本实施例中以三层为例，除中心导流墩3.1外，中心导流墩3.1外环设有两层环形均布的外导流墩，包括环形均布的多个中圈导流墩3.2和多个外圈导流墩3.3。
具体的，所述中心导流墩高度h1为空腔高度H的2/9～5/9，相邻两层导流墩3的高度h2差为10～20cm；相邻两个导流墩2间距L为5-10cm；每个导流墩3直径d1为所述空腔底面直径d2的1/6～1/8。所述本体的开口直径d3为长水口内径的3～6倍，所述空腔2的最大直径d4为最小直径d3的1.1～1.2倍。
空腔2底面和导流墩3一体化成型，由耐火材料制成；导流墩3为CaO-MgO质耐火材料柱，在受到钢液加热后将转变为塑性材料；
参照图4，本发明安装在连铸中间包长水口6正下方，其轴心线与连铸中间包长水口6轴心线重合，稳流器本体4嵌入连铸中间包底5内。
下面以本发明装置的一个应用为例，评价其技术效果：
用于某钢厂中间包钢液熔池深度为1200mm，长水口内径100mm，长水口插入深度500mm，长水口出口到中间包内底面的高度为700mm。
设置的中心导流墩3.1高45mm，中圈导流墩3.2高35mm，外圈导流墩3.3高25mm，导流墩3直径15mm，相邻导流墩3间距5mm，多个导流墩3与空腔2同轴环形阵列在本体4底部。本体4嵌入安装在连铸中间包底5，位于中间包长水口6正下方，其轴心线与长水口6轴心线重合。
本体4内的空腔高117mm，顶面开口1直径300mm，高为19.5mm；空腔顶面2.1和底面2.2平行，直径为300mm，空腔2中部最大直径为330mm；本体4外径363mm。
根据大型商业软件ANSYS的模拟结果，与传统无导流墩的中间包稳流器相比，“都江堰”式多级底漩型稳流器对于直径大于50μm大尺寸夹杂物的去除率由52.73％提升到了69.42％，其中由簇状导流墩直接附着去除的开浇夹杂占比为5.32％，稳流器壁面对开浇夹杂吸附率的提升则是由于导流墩间形成的底部旋流使钢液流速减缓，钢液在稳流器内的平均停留时间增长，增加了开浇夹杂与夹杂之间碰撞长大和夹杂与壁面之间吸附去除的几率，同时稳定的流场避免了由于钢液冲击导致的夹杂物的脱附现象。
流体对液面冲击的非线性表面问题的理论和实验研究表明，流体冲击将引起液体表面出现造浪现象，而浪头相互撞击则出现激烈的飞溅和内部浪涌运动。根据水力学防浪理论可知，在液面以下漩流和渗流共同作用可使表面波在振荡中快速衰减，从而有效的消减液面波动，如图5所示。
从图6和图7可以看出开浇钢液到达传统稳流器底部会沿侧壁向上并在中部形成旋流区破坏液面的平稳性。而参见图5，本发明“都江堰”式多级底漩型稳流器，则通过渗流分流作用消减表面波、稳定多级漩流，形成了开浇钢液的稳定表面，防止液面起伏或飞溅所引起的二次氧化现象。
Claims (9)
1.一种“都江堰”式多级底漩型稳流器，包括开有空腔的本体，所述本体顶面开口与空腔连通，其特征在于，所述空腔的底面环形阵列式排布有多个导流墩，所述多个导流墩包括一个位于空腔底面中心的中心导流墩和外环设有的至少一层环形均布的多个外导流墩；所述中心导流墩和外导流墩的高度由中心至外环逐层降低。
2.如权利要求1所述的“都江堰”式多级底漩型稳流器，其特征在于，所述中心导流墩高度为空腔高度的2/9～5/9，相邻两层导流墩的高度差为10～20cm。
3.如权利要求1所述的“都江堰”式多级底漩型稳流器，其特征在于，相邻两个导流墩间距为5～10cm。
4.如权利要求1-3任一项所述的“都江堰”式多级底漩型稳流器，其特征在于，所述空腔具有球形的壁面以及相互平行的顶面和底面。
5.如权利要求4所述的“都江堰”式多级底漩型稳流器，其特征在于，所述空腔的最大直径为最小直径的1.1～1.2倍。
6.如权利要求4所述的“都江堰”式多级底漩型稳流器，其特征在于，每个导流墩直径为所述空腔底面直径的1/6～1/8。
7.如权利要求4所述的“都江堰”式多级底漩型稳流器，其特征在于，所述球形的壁面沿纵向由多个相连的斜面组成。
8.如权利要求1-3任一项所述的“都江堰”式多级底漩型稳流器，其特征在于，所述本体的开口直径为长水口内径的3～6倍。
9.如权利要求1-3任一项所述的“都江堰”式多级底漩型稳流器，其特征在于，所述中心导流墩外环设有两层环形均布的外导流墩，包括均布的多个中圈导流墩和多个外圈导流墩。
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