CN1278748A - 用冷却液喷洒连铸产品的缝式喷嘴 - Google Patents

用冷却液喷洒连铸产品的缝式喷嘴 Download PDF

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Abstract

喷嘴(5)包括一个混合室(15),一种形成第一和第二液体流(12,13)的液体(7)可通过两个入口(9、10)流入该混合室,该混合室具有一个设置在下游的射流(40)的出口(30)。一个混合室壁(16、17)对液体流(12、13)起异向面的作用并在出口(30)作成这样的形状,使液体流(12、13)在该出口以一个角度(α)相撞击并形成射流(40)。在冲击角(α)接近90°时,这个喷射过程提供高动能的液滴和液滴轨迹的宽广的均匀的扇形散开。所以用这种喷嘴可从一个大的距离特别均匀地喷洒大的面积。

Description

用冷却液喷洒连铸产品的缝式喷嘴
本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的用冷却液喷洒连铸产品的缝式喷嘴。
众所周知，在连铸时，特别是在钢的连铸时，连铸产品是通过连铸结晶器中的熔融金属的冷却来产生的，这种连铸产品以连铸坯的形式连续地从结晶器中拉出，其表面由一层凝固壳组成，而连铸坯芯则仍是液态的熔融金属。连铸坯从结晶器中出来后被送入第二冷却区，在该处一般用水作冷却剂喷洒连铸坯，使它进一步放出热量直至完全凝固为止并使它达到继续加工所需要的温度。
由于二次冷却直接引起或影响连铸坯的凝固，所以二次冷却过程及其所需的装置对最终产品的质量起决定性的作用。其中，分配冷却剂所用的部件，特别是喷嘴尤其重要。
描述二次冷却过程的各种参数对连铸坯的凝固产生不同的影响并须根据使用的不同标准达到最佳化。
为了保证尽可能均匀的坯壳增厚，确定坯壳增厚速度的二次冷却强度和冷却剂供应密度的空间分布是特别重要的。根据实际情况，二次冷却强度应或多或少地进行“硬”或“软”调节，而冷却剂供应密度的空间分布则应尽可能均匀。
在二次冷却区喷洒冷却剂所用的喷嘴一般应在二次冷却强度和冷却剂供应的均匀性的各种要求方面达到最佳化。其中，决定二次冷却强度的，是喷洒的冷却液滴的动能，特别是冷却剂供应密度。对冷却剂供应密度的均匀性起决定性作用的，不只是用单个喷嘴产生的射流中的液滴分布的均匀性。液滴轨道的角度分布对冷却剂供应密度的均匀性也是重要的。也就是说，角度分布决定由一股射流可喷洒到连铸坯上的面积的形状和大小。但为了使连铸坯的全部待冷却的面积都被冷却剂覆盖，在二次冷却区中需要许多喷嘴。所以单个喷嘴的射流相应叠加。因此在许多射流叠加时，单股射流的液滴轨道的角度分布对冷却剂供应密度的均匀性起决定性的作用。
已知的全锥喷嘴提供的射流具有液滴轨道的锥形的角度分布，多个全锥喷嘴的射流以其具有锥形而不可能有效地覆盖大的喷洒面积；多股射流的叠加产生很不均匀的冷却剂供应密度。
从美国专利US—3072 346已知一种具有权利要求1前序部分的全部特征的喷嘴。这种喷嘴具有一个喷嘴本体，该喷嘴本体则具有一个绕其纵轴旋转对称的混合室，该混合室配有两个入口和一个设置在下游的射流出口，液体可通过该入口形成第一和第二液体流流入混合室中。在不考虑出口结构的情况下，这种喷嘴具有已知的一种全锥喷嘴的基本特征：两个入口是这样并入流入混合室的液体流的导向结构中的，液体流在进入混合室时，除了在出口方向的一个速度分量外，还有一个与混合室壁相切的速度分量。由于这个切线速度分量，两股液体流在进入混合室后汇合成一股对准出口的液体流，这股液体流具有一个围绕喷嘴本体纵轴的涡旋。虽然US—30 72 346中描述的喷嘴—像常规全锥喷嘴那样一具有一个圆形出口，但该出口在出口一侧这样扩展成喇叭形，使待射出的射流在正方形的对角线方向内产生变形。由于出口的这种结构，该喷嘴提供接近于正方形液滴分布的射流—相对于一个与喷嘴本体纵轴垂直的平面。
这种喷嘴的一个缺点是，由于明显的涡旋射流的液滴分布形状随液体的不断增加的入口压力而越来越严重地产生畸变。所以这种喷嘴不能满足在二次冷却区中对冷却剂供应密度的均匀性提出的要求。
这种喷嘴的另一个缺点在于，它的射流只在一个喷射平面内具有一个接近于正方形的液滴分布，这个喷射平面离出口的距离不容许太远，一般不得大于20厘米。由于这样小的工作距离，所以需要大量的这种喷嘴，才能足够均匀地喷洒大的面积。
US—4 988 043描述了一种扁喷嘴。这种喷嘴具有一个特喷射的液体的通道，该通道带有射流的一个出口缝隙。射流在缝隙方向以一个大的角度范围呈扇形散开，而射流在垂直于缝隙的纵向则随出口缝隙的不断增加的距离几乎没有加宽。似一维的扇形散开产生一股扁的射流。由于射流垂直于出口缝隙的展宽很小，喷洒较大的矩形面积就会带来麻烦，这时，必须采用大量这种扁喷嘴，或者单个扁喷嘴必须运动，以便用其射流喷洒较大的面积。
鉴于已知喷嘴的诸多弊端，本发明旨在提出一种适用于连铸机的二次冷却区的喷嘴，这种喷嘴为此目的可从尽可能大的距离用具有尽可能大的动能的液滴尽可能均匀地喷洒尽可能大的面积。
上述目的是由一种具有权利要求1所述特征的喷嘴来实现的。
本发明的喷嘴包括一个混合室，一种形成第一和第二液体流的液体可通过两个入口流入该混合室，而且该混合室具有一个设置在下游的射流出口。其中至少一个混合室壁作成液体流的导向面并在出口作成这样的形状，使液体流在出口附近或在出口前面以一定角度相互冲击并形成射流。由于两股液体流对准出口并在出口附近撞击，产生相当大的液滴，这种液滴—相对于入口处的入口压力—可以相当大的动能离开出口。这样就大大避免了混合室中由于涡流形成而引起的能量损失。高的动能可在大的工作距离情况下进行大面积喷洒。两股液体流的喷实现了液滴传播方向的大的分散性，从而实现了从出口喷出的射流的大的扇形散开。其中特别是在液体流相互撞击时垂直于该液体流传播方向散开的液滴对射流的扇形散开提供重要的支持。由于混合室中液体流的传播主要是由混合室几何形状来决定的，所以入口压力可在相当大的范围内变化，而不明显改变射流的扇形散开。
就这点而言，入口的横截面原则上可理解为入口相应液体流的横截面，而出口的横截面则可理解为射流的横截面。
用本发明喷嘴产生的射流的特性主要取决于液体流在出口附近或直接在出口之前相互冲击的冲击角。这个冲击角最好为60°和130°之间的范围，最好选用80°和100°之间的范围。这样就为产生以特别高的动能离开出口并形成一股射流的液滴提供了先决条件，这股射流的特点是，使液滴在一个特别大的空间角度内围绕一个中间的传播方向达到特别均匀的分布。
根据本发明喷嘴的一种结构型式，混合室在出口处具有一个在出口的张开角为60°和130°、最好为80°和100°之间的张开角的锥形，该锥形形成液体流的导向面的一部分，这部分决定冲击角。该锥形使两股液体流在一个相当于锥形张开角的冲击角的情况下在入口汇合。在出口处两股液体流相互作用产生的液滴在该锥形张开角的角平分线的方向内具有特别大的速度分量。这个方向相当于可离开出口的液滴的中间传播方向。此外，出口—根据其形状—为液滴敞开通路，使其轨道在一个立体角内围绕中间传播方向散开。该锥形例如可为圆锥形。
根据本发明喷嘴的另一种结构型式，出口具有一个缝隙。这个出口缝隙—在其垂直于射流的传播方向横截面面积适当造型的情况下—提供了例如喷洒矩形面积的可能性。其中，矩形喷洒面积的长边大致平行于该缝隙的纵向延伸方向。该缝隙越长，射流在出口缝隙的纵向延伸方向内呈扇形散开所通过的角度范围就越大。其原因在于，出口缝隙越长，液滴可离开在出口处两股射流的相互作用区的角度范围在该缝隙纵向延伸的方向内就越大。
根据本发明，喷嘴的一系列的进一步改进具有许多其它的特征，这些特征的单个特征和／或相互组合的特征都为液滴均匀分布在喷洒面积上提供了先决条件，为了达到均匀的液滴分布，出口和混合室最好具有一个共同的对称平面。在这个前提下，两股液体流相对于该对称平面是对称的。这样就可产生其轨道对称于该对称平面延伸的液滴。在出口作成缝隙的喷嘴中，当两个入口分别具有一个带纵长形状的横截面面积且其纵向延伸的方向分别大致平行于出口缝隙纵向延伸的方向时，则可达到特别均匀的液滴分布。在这种情况中，入口处的两股液体流试图“预成型”并配合出口缝隙使相同流速的流线—相对于一个与相应液体流垂直的平面—在入口处具有与出口的横截面面积(垂直于液滴的中间传播方向)相同或接近相同的形状。
本发明喷嘴的另一种结构型式具有一个出口缝隙且其形状作成这样，即混合室和出口缝隙具有一个共同的对称平面。其中出口缝隙的纵向位于该对称平面内，而两个入口则分别布置在该对称平面的不同的一侧。在这种情况中，射流在该对称平面内即在出口缝隙的纵向内可特别远地呈扇形分散。此外，当—如前面讨论过的实施例那样—两个入口具有一个带纵长形状的横截面面积且其纵向延伸的方向大致平行于对称平面时，液滴分布是特别均匀的。当两个入口的横截面面积之和与出口的横截面面积的比值介于1．5和2、最好介于1．6和1．8之间时，可达到特别均匀的液滴分布。
本发明喷嘴另一种结构型式的特点是，混合室在出口处具有一个按前述方式布置的锥形并在锥形和两个出口之间具有一个圆筒段。该圆筒段作为一个界定液体流的侧壁。该圆筒段的长度对出口处两股液体流的混合和该液体流转变成液滴畅通无阻地离开该出口的效率产生影响。该圆筒段的长度可相应地达到最佳化。此外，当两个出口在混合室的侧壁汇合时，则是有利的。这样，混合室中不希望的涡流形成所引起的能量损失特别小，而且射流的产生效率特别高。
当两个出口在一块连接液体流的侧向边界的对应部分的横隔板和该侧向边界之间形成时，则可获得一个混合室结构特别简单的喷嘴。在一个围绕一根轴旋转对称的侧壁和一块矩形横隔板的情况下，两个入口具有弓形的横截面形状。根据本发明，这样的入口可与一个出口组合，使其纵向基本上平行于该弓形的弦。
射流的液滴分布可通过射流传播方向内出口横截面的一定扩展来进行控制。根据本发明喷嘴的结构型式，其出口缝隙的横截面面积在射流传播方向内窄狭侧的两端扩大。这样，射流可在出口缝隙的纵向内达到特别大的扇形散开。
在喷嘴的另一种结构型式中，出口缝隙的横截面在射流传播方向内出口缝隙长的两侧的中心扩大。通过这个措施可增加沿中间传播方向的方向内传播的液滴的比例。
根据本发明喷嘴的又一种结构型式，出口和混合室具有一个共同的对称平面并设置了导向壁，以界定从出口喷出的射流。
在本发明喷嘴的其它一些结构型式中，由于入口具有不同的横截面面积和／或导向壁以离出口不同的距离布置在出口的对应侧上，所以这些喷嘴是不对称的。这两个结构上的措施造成喷嘴在入口侧和／或出口侧的不对称性，这种不对称性—即使在通常对称的混合室的情况下—对射流的液滴分布产生影响。通过适当的加大这种不对称性，可将液滴分布的重心相对于对称的喷嘴移动一定的距离，以影响液滴分布的均匀性和改变喷洒面积的形状。此外，不用矩形喷洒面而形成具有或多或少弯曲的圆周线的喷洒面。在混合室具有一个对称平面的喷嘴中，如果喷嘴在入口侧和出口侧作成不对称，使具有较小横截面面积的入口布置在离对称平面较大距离的那个导向面所在的对称平面的同一侧上，则可在一个具有一个相对于对称平面移动了重心的矩形喷洒面上达到特别均匀的液滴分布。为了达到最佳化，导向壁离对称平面的距离可通过喷嘴入口一侧的不对称性进行调节，这种不对性例如通过入口横截面面积的不同尺寸来表示。
用本发明的一种具有适当出口缝隙的喷嘴例如可从大约45厘米的距离均匀喷洒宽10厘米和长50厘米的矩形面积。在连铸机的二次冷却区中，这种喷嘴最好用来冷却具有钢坯规格或大钢坯规格的连铸坯。在这种情况下，一个这种喷嘴可代替4至6个常规全锥喷嘴，并可达到更均匀的冷却剂供应。本发明的喷嘴可作成具有一个长大于10毫米和宽大于5毫米的出口缝隙。在这个尺寸的情况下，与常规喷嘴比较，本发明喷嘴的出口缝隙在运行中被污物堵塞的危险是很小的。这同样适用于入口，入口可选用与出口相同的尺寸。
本发明喷嘴的不对称的结构型式可用于连铸机的不同场合。例如在弧形连铸机的情况下，在二次冷却区的范围内使具有矩形横截面的弧形连铸坯段的不同的一侧上通过矩形和圆环形区段的喷洒面的叠加进行冷却。本发明喷嘴通过其组成部分的适当设计即可产生这种喷洒面。此外，一般在多炉连浇时，在浇注作业中待浇注的连铸坯的横截面是变化的。从而出现这样的问题，在连铸坯轨纵段中横断面变化后，不但喷洒面的尺寸必须配合已变化的连铸坯的几何形状，而且常常还要求喷洒面积的重心也必须配合这种变化。在用常规喷嘴的情况下，在横截面改变时，全部喷嘴都必须用具有不同喷洒面的其它喷嘴代替，其中，还必须适当调节喷嘴的位置。用本发明的喷嘴可这样解决后一个问题，即把喷嘴定位在一个预定的位置上，并在必要时使用具有不同对称性的喷嘴来考虑喷洒面积重心的变化。这种处理方式消除了在每次改变横截面时重新调节喷嘴的麻烦。
下面结合附图来说明本发明喷嘴的一些实施例。
附图表示：
图1A喷嘴的一个纵断面；
图1B沿剖面线B—B剖开的图1A喷嘴的一个纵断面；
图2A沿剖面线A—A剖开的图1A喷嘴的一个横断面；
图2B沿图1B箭头C看去的图1A的俯视图；
图2C相当于图2B的另一个例子；
图3A相当于图2A，但具有不同尺寸的入口；
图3B相当于图2B，但具有离出口不同距离的出口侧的异向面；
图3C相同于图1A，但为图3A和3B的变型；
图1A—B和图2A—C所示的两种喷嘴用液滴喷洒矩形面积。
图1A—B和图2A—B所示的喷嘴5对称于一个平面35。喷嘴5包括一个喷嘴本体4，该喷嘴本体具有一个由一圆筒段16和一锥形段17组成的空腔。该圆筒段具有一个孔6，一种待喷洒的液体在一定压力P作用下可经该孔流入，而且该圆筒段旋转对称于一根纵轴38。锥形段17在纵轴38的方向按一个张开角α缩小并在圆锥尖具有一个射流40的出口缝隙30。出口缝隙30对称于对称平面35，且出口缝隙30的横截面面积的纵向位于对称平面35内。
如图2A和图1A—B所示，圆筒段16的横隔板8把一个由圆筒段16的一部分和锥形段17组成的混合室15隔开并在圆筒段16的壁的旁边留出两个入口9和10。入口9和10的横截面面积具有弓形的形状并分别对称设置在对称平面35的不同的一侧。入口9和10的横截面面积具有一个纵长的形状，且其纵向延伸的方向或弓形的弦与对称平面35平行。
在运行时，一种待喷洒的液体在一定压力P作用下沿流线7通过孔6供入喷嘴5并分别经入口9和10形成第一液体流12和第二液体流13流入混合室15中。在适当选择锥形段17的张开角α及直径D和界定混合室15的圆筒段17的部分长度L(图1B)时，两股液体流12和13沿圆筒段16或锥形段17的壁引导，以便在出口30相互冲击并形成射流40。
在图1B中，用θL表示在对称平面内射流呈扇形散开的角度，亦即表征离开出口30的液滴在对称平面35内散开的角度范围。图1A中的θ角相似地表示液滴垂直于对称平面35散开的角度范围。如图1A和1B所示，在本发明喷嘴5时，角θL比θ大得多。为了在出口缝隙30的窄狭侧的端部有尽可能多的液滴通过出口缝隙30，在出口缝隙30的窄狭侧的两端在射流40的传播方向39内出口缝隙30的横截面面积具有一个扩展部31。
图2C表示出口缝隙30的另一种结构。图2C中的出口缝隙30的横截面在射流40传播方向39的纵长侧的中部具有一个扩展部32。该扩展部引起纵轴38方向的对称平面35内的液滴的积聚。
导向壁45，46大体上平行于对称平面35布置。导向壁—根据离对称平面35的距离—作为从出口30喷出的射流40的边界和／或防止射流40不受外界例如周围空气运动的干扰。
在图1A或1B的例子中，选用张开角α=90°。α=90°是一个考虑了射流40液滴分布均匀性、射流40扇形散开的宽度和液滴产生的效率的优选值。但本发明喷嘴在60°＜α＜130°时，也是功能完好的，其中优选范围为80°＜α＜100°。
用图1A或1B所示的本发明喷嘴例如可在离出口450毫米的距离内均匀喷洒120毫米×500毫米的矩形面积。这时液滴轨迹的角度分布用θL=586°和θ=16°来表征。对这个喷洒范围可在混合室15一定尺寸和入口9、10一定横截面面积时达到均匀的液滴分布—视出口缝隙30的尺寸而定。例如在出口缝隙30的长度L=13．8毫米和宽度b=7毫米的情况下，在混合室15的D=26毫米和L=11毫米时可达到均匀的液滴分布。同时两个入口9、10的横截面面积之和与出口30的横截面面积的最佳比值为1．7±0．1。由于液滴产生的高效率，在喷嘴入口6的压力P＝9巴时，射流40在450毫米距离内在喷洒面上产生30公斤／米2的高冲击压力。运行压力P为至少1巴和10巴之间。
在出口缝隙30较小或较大的横截面面积时，L和D必须相应减小或增大。这时入口的横截面面积之和与出口的横截面面积的最佳比值为1．5和2之间，最好为1．6和1．8之间，而混合室15的圆筒段16的直径D与圆筒段16的长度L的最佳比值则介于2和3之间。相同参考距离内的冲击压力相应变小或变大。
图3A—C表示一种不对称的喷嘴50，这种喷嘴可看成是前述通过对称平面35表示的喷嘴5的变型。不对称的喷嘴50与对称的喷嘴5的区别在于，横隔板8相对于对称平面35偏移，所以入口9或10形成具有不同面积A1或A2的弓形，而且导向面积45或46相对于出口30的中心具有不同的距离t1或t2。在不对称喷嘴50的情况中，选用A1＜A2和t1＞t2，亦即较小横截面面积的那个入口9和10布置在离对称平面35较大距离的那个导向壁45和46所在的对称平面35的相同的一侧上。由于入口9和10不同的形状或尺寸，液体流12和13输送不同的液体量(在图3C中用箭头大小表示相应的液体量)。由于在这种结构时液体流12和13相对于对称平面35不存在对称性，因而在液体流相互冲击时产生具有不对称冲量分布的液滴，所以射流40根据离对称平面35的距离X用一个液滴分布P(X)来表征，其最大值位于入口10对应一侧上离对称平面35的距离XM处。距离XM可由适当设定入口9或10的宽度W1或W2来改变。通过适当匹配导向面45和46的距离t1和t2可在垂直于对称平面35的一个平面内产生一个具有均匀液滴分布P(X)的矩形喷洒面。如果距离t1和t2与W1或W2不最佳匹配，则可产生一个不同于矩形的喷洒面，例如产生圆环段的形状。

Claims (19)

1．用一种冷却液喷洒连铸产品的喷嘴包括一个混合室(15)，一种形成第一和第二液体流(12、13)的液体(7)可通过两个入口(9、10)流入该混合室并在下游设置了一个射流(40)的出口(30)，其特征为，至少一个混合室壁(16、17)作成液体流(12、13)的导向面并在出口(30)作成这样的形状，使液体流(12、13)在出口(30)以一个角度(α)相互冲击并形成射流(40)。
2．按权利要求1的喷嘴，其特征为，角度(α)介于60°和130°之间，最好介于80°和100°之间。
3．按权利要求1或2的喷嘴，其特征为，混合室(15)在出口(30)具有一个在出口(30)的张开角(α)为60°和130°、最好为80°和100°之间的锥形(17)，该锥形形成导向面的一部分。
4．按权利要求3的喷嘴，其特征为，混合室(15)在锥形(17)和入口(9、10)之间具有一个圆筒段(16)。
5．按权利要求1至4任一项的喷嘴，其特特为，出口(30)作成出口缝隙。
6．按权利要求5的喷嘴，其特征为，入口(9、10)分别具有一个呈纵长形状的横截面面积且其纵向延伸的方向(35)分别基本上平行于出口缝隙(30)的纵向延伸的方向(35)。
7．按权利要求1至6任一项的喷嘴，其特征为，出口(30)和混合室(15)具有一个共同的对称平面(35)。
8．按权利要求1至7任一项的喷嘴，其特征为，混合室(15)具有一个侧向界定液体流(12、13)的侧壁(16)和入口(9、10)分别在侧壁(16)的旁边通入混合室(15)。
9．按权利要求8的喷嘴，其特征为，入口(9、10)在侧壁(16)和横隔板(8)之间形成。
10．按权利要求5的喷嘴，其特征为，出口缝隙(30)的纵向(35)位于一个对称平面(35)内，入口(9、10)分别设置在对称平面(35)不同的一侧。
11．按权利要求1至10任一项的喷嘴，其特征为，入口(9、10)的横截面呈弓形的形状。
12．按权利要求5至11任一项的喷嘴，其特征为，出口(30)的横截面面积在射流传播方向(39)窄狭侧的两端具有一个扩展部(31)。
13．按权利要求5至12任一项的喷嘴，其特征为，出口(30)的横截面在射流(40)的传播方向(39)出口缝隙长边的中心具有一个扩展部(32)。
14．按权利要求5至13任一项的喷嘴，其特征为，在出口(30)的纵向延伸的方向(35)内设置了导向壁(45、46)，以界定从出口(30)喷出的射流(40)。
15．按权利要求1至14任一项的喷嘴，其特征为，入口(9、10)的两个横截面面积之和与出口(30)的横截面面积的比值选择为1．5和2之间，最好在1．6和1．8之间。
16．按权利要求4的喷嘴，其特征为，圆筒段(16)的直径(D)与圆筒段(16)的长度(L)之比值选择为2和3之间。
17．按权利要求1至16任一项的喷嘴，其特征为，入口(9、10)具有不同的横截面面积(A1、A2)。
18．按权利要求14至17任一项的喷嘴，其特征为，导向壁(45、46)以离出口(30)不同的距离设置在出口(30)的对应侧上。
19．按权利要求7、17和18的喷嘴，其特征为，具有较小横截面积(A1)的入口(9)布置在离对称平面(35)较大距离(t1)的那个导向壁(45)所在的对称平面(35)的相同一侧上。
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