CN1437516A - 具有压力调节器的连续浇铸水口 - Google Patents

Abstract

一种用于在冶金容器或模具之间传送液态金属流的水口，包括进口部分，用于接受液态金属。调节器例如止动器杆可相对于进口部分从打开位置向关闭位置运动，以便分别允许和防止流过该水口。进口部分和该调节器确定了在它们之间的控制区域。在该控制区域下游的压力调节器用于使横过该控制区域的压力差减至最小。该压力调节器使得在控制区域下游的流动收缩。

Description

具有压力调节器的连续浇铸水口

本申请要求系列号为No.60/213773的美国临时申请的优先权，该申请的申请日为2000年6月23日，该文献的整个说明书被本文参引。

发明的背景技术

在处理过程中，液态金属，尤其是液态钢在重力作用下从一个容器例如浇口盘流入另一个容器例如模具中。水口可以引导和容纳液态金属在从一个容器通向另一容器过程中的流动流。

在处理过程中控制液态金属的流速很重要。因此，采用能够调节液态金属流速的调节器或流量控制器。通常的调节器是止动器杆，尽管也可以采用本领域技术人员已知的任意类型的流量调节器。因此，典型的连续钢浇铸方法能够通过采用用于流量调节的止动器杆的水口而使得液态金属从浇口盘流入模具。

参考图1，在这种典型的连续钢浇铸方法中，浇口盘15直接位于模具20上面，该模具20有与该浇口盘15连接的水口25。水口25有管道，液态金属10通过该管道从浇口盘15流向模具20。在浇口盘15中的止动器杆30控制通过该水口25的流速。

图2是图1的水口25的水口孔45的进口部分35和底部40的放大局部示意图。在图2中，进口部分35在点1和2之间延伸。底部40在点2和3之间延伸。水口孔45的进口部分35与装于浇口盘15中的液态金属10流体连通。该水口孔45的下部40部分浸没在模具20的液态金属10中。

再回到图1，为了调节从浇口盘15进入模具20的液态金属的流速，止动器杆30升高或降低。例如，当止动器杆30完全降低时，液态金属10的流动停止，这样，该止动器杆30的凸出端堵塞水口孔45的进口部分35。当止动器杆30从该完全降低的位置向上升高时，液态金属能够流过水口25。通过该水口25的流速通过调节止动器杆30的位置来进行控制。当止动器杆30升高时该止动器杆30的凸出端50离开水口孔45的进口部分35，这增加了在止动器凸出端50和水口25之间的开口面积，从而能有更大的流速。

图3表示了从浇口盘15到模具20的另一液态金属流动系统。该系统有位于止动器杆30的凸出端50和水口孔45的进口部分35之间的控制区域55。该控制区域55是止动器杆凸出端50和水口孔45的进口部分35之间的开口槽道的最狭窄部分。在浇口盘15中的液态金属有由于重力引起的静压。当止动器杆30并不阻塞液态金属10进入水口孔45中时，在浇口盘15中的液态金属10的压力迫使液态金属10流出浇口盘15和流入水口25。

当流量小于最大值时，控制区域55的开口面积特性是调节流入水口25和随后流入模具20的流速的主要因素。

图4表示了通过控制区域55流出浇口盘15并流入水口25中的液态金属10的压力变化。如图3所示，点60表示装在控制区域55上游的浇口盘15内的液态金属的普通位置。点65表示在控制区域55下游的水口25的开口孔45内的普通位置。如图4所示，在点60和65之间的液态金属10的压力的总趋势是在横过控制区域55时压力急剧降低。在60处的压力通常高于大气压。在65处的压力通常低于大气压，导致局部真空。

图5表示了两部件的水口，该水口包括进口插入件70和主体75。孔45的进口部分35从点21延伸到22再到23，下部40从点23到24。

图6表示了液态金属流动系统，从浇口盘15到模具20，并包括图5的水口。图7表示了在图6的系统中从点60到点65的压力趋势。图6的系统的压力趋势基本与图3的压力趋势相同，包括在横过控制区域的压力急剧降低。

简单地说，图1、3和6的水口导致在横过相应控制区域时压力急剧降低。该压力的急剧降低使得流量调节系统过度敏感。过度敏感的流量调节系统将使得操作人员需要持续摆动或移动该调节器以获得正确的位置，从而调节控制区域的大小和/或几何形状，以便使流量稳定在合适速度。为了达到合适的流量调节点的摆动将在水口25的进口部分35和整个孔45中引起湍流。

由摆动以及由在控制区域下游产生的局部真空/低压而引起的湍流将加速该控制区域周围的腐蚀。例如，止动器杆30的凸出端50和水口孔45的进口部分35可能出现腐蚀。在紧接该控制区域55的下游处通常出现最高速的腐蚀。在控制区域55中以及周围的腐蚀使液态金属流速调节更困难。由于腐蚀而使控制区域55的关键几何形状出现不希望的变化将导致不可预计的流速变化，这最终将导致流速调节系统的完全失效。

再参考图5，为了减小腐蚀，从而提高流动调节，在某些水口中，进口插入件70通常由防腐蚀的耐火材料构成。不过，将进口插入件70加在水口40上不会影响横过控制区域55的急剧压力降低，如图4和7所示。因此，由于控制区域的尺寸和形状，普通水口的流量调节仍然对调节器的运动过于敏感，从而使流速难于稳定。

因此，需要一种水口，该水口使横过水口控制区域的压力变化最小，并减小腐蚀作用和稳定该控制区域的尺寸和形状，从而减小摆动和增加流动稳定性。

发明简介

本发明通过提供一种水口来实现上述要求，该水口使得横过水口控制区域的压力差减至最小，并减小腐蚀作用和使该控制区域的尺寸和形状稳定，从而减小摆动，增加流动稳定性。

为此，本发明包括一种用于控制液态金属的流动的水口，该水口包括进口部分，用于接受液态金属。调节器例如止动器杆可相对于进口部分从打开位置向关闭位置运动，以便分别允许和防止流过该水口。进口部分和该调节器确定了在它们之间的控制区域。在该控制区域下游的压力调节器用于使横过该控制区域的压力差减至最小。该压力调节器使得在控制区域下游的流动收缩。

本发明通过调节在控制区域下游的水口中的压力而减小横过该控制区域的急剧压力降，并减小了紧接在该控制区域下游的流动的湍流，消除了流量调节的过度敏感性，本发明的水口能够减小控制区域附近的腐蚀，并使流量调节稳定，同时在连续浇铸过程中提高了流量的控制和模制水平的控制。

通过下面参考附图对本发明的说明，可以知道本发明的其它特征和优点。

附图的简要说明

图1是包括现有技术的连续浇铸水口的液态金属流动系统的示意图；

图2是图1的现有技术水口孔的进口部分和底部的放大局部示意图；

图3是包括第二种现有技术的连续浇铸水口的液态金属流动系统的示意图；

图4是流过图3的实施例的液态金属的流体压力的曲线图；

图5是图1的现有技术水口的水口孔的一种可选进口部分和下部的放大局部示意图；

图6是包括图5的水口的液态金属流动系统的示意图；

图7是流过图6的实施例的液态金属的流体压力的曲线图；

图8是包括本发明第一实施例的连续浇铸水口的液态金属流动系统的示意图；

图9是图8的实施例的进口部分、压力调节器和下部的放大局部示意图；

图10是流过图8的实施例的液态金属的流体压力的曲线图；

图11-16是图8和9的实施例的可选压力调节器的示意图；

图17是包括本发明第二实施例的连续浇铸水口的液态金属流动系统的示意图；

图18是图17的实施例的进口部分、压力调节器和底部的放大局部示意图；

图19是流过图17的实施例的液态金属的流体压力的曲线图；

图20-26是本发明的连续浇铸水口的水口孔的可选进口部分和底部的局部示意图。

优选实施例的详细说明

图8和9表示了本发明的水口100的第一实施例。图8表示了从浇口盘1 5到模具20的液态金属流动系统，该液态金属流动系统包括水口100。图9表示了该水口100的放大图。

参考图9，水口100包括两个部件：压力调节器进口插入件105和主体110。该水口100有孔115，该孔分成三个部分：进口部分120，从点121延伸到点122；压力调节器部分130，从点122延伸到点123，再到点124、到点125和到点126；以及下部140，从点126延伸到点127。

压力调节器130产生突然的、强烈的流动压缩。该压缩减小了横过水口100的控制区域的压力差，如后面所述，并降低了该控制区域的腐蚀作用，使该控制区域的尺寸和形状稳定。这减小了摆动，增加了流动稳定性。

参考图8，水口100有位于止动器杆30的凸出端50和水口孔115的进口部分120之间的控制区域55，该水口孔115的进口部分120在该凸出端50的相对侧。本领域技术人员应当知道，可以用任意已知的流量调节器来代替止动器杆30。

各控制区域55是在水口孔115的进口部分120和止动器杆凸出端50之间的开口槽道的最狭窄部分。通常，各控制区域55位于压力调节器部分130的上面，并定义为能够改变控制区域55且能够调节流入压力调节器部分130中的液态金属流量的任意结构。

水口100的压力调节利用收缩区域实现。图8的液态金属系统有位于水口100的控制区域55下游的收缩区域150，该收缩区域150横过水口孔115的狭窄部分并由压力调节器插入件105确定。当止动器杆30没有阻塞水口孔115的进口部分120，从而打开控制区域55以便能够流动时，在浇口盘15中由重力引起的、液态金属10的压力使得液态金属10流出该浇口盘15并流入水口100。当流量小于最大值时，该控制区域55的开口面积特性是调节进入水口100并随后进入模具20的流体流速的主要因素。

如图10示意所示，当液态金属10流出浇口盘15和流过控制区域55并流入水口100的进口部分120，然后通过水口100的收缩区域150流入底部140时，液态金属10的压力改变。点60表示装在控制区域55上游的浇口盘15中的液态金属内的普通位置。点65表示在控制区域55下游、但在水口孔115的调节器部分130的收缩区域150上游的开口水口孔内的普通位置。点80表示在水口孔115的底部140中位于收缩区域150下游的开口水口孔内的普通位置。

如图10所示，在横过控制区域55的、很小的最初压力降后面有横过收缩区域150的另一压力降。在图8、10、17和19中的点60和65与图3、4、6和7中的点60和65类似。将图10与图4和7比较可知，由压力调节器部分130形成的收缩区域150减小了横过控制区域55的压力降的大小，因此，在点65的压力调节成使横过控制区域55的压力降减小。

再参考图9，水口100的压力调节器部分130有设计参数A、B、L1和L2。为了简化，图11-16表示了通过改变前述参数而得到的各种结构的线图。“A”是收缩区域的尺寸。“B”是在该收缩区域上游处或紧接该收缩区域的上游处的、在孔的压力调节器部分130中的开口槽道的尺寸。“L1”是压力调节器部分在该收缩区域上面的长度。“L2”是收缩区域的长度。在压力调节器内的、收缩区域上游的流动区域是压力空间。该收缩比定义为B/A。压力空间比定义为L1/B。相对收缩长度比定义为L2/A。

在点65处的压力受到压力调节器部分的收缩比、压力空间比和相对收缩长度比的影响。为了有效影响和调节在点65处的压力，在压力空间中的流动分离必须减至最小，这通常需要使压缩板(B/A)大于大约1.4，压力空间比(L1/B)大于大约0.7和小于0.8，且相对收缩长度比(L2/A)小于大约6.0。

图11-16还表示了在收缩架板和上游水口孔之间的角度Φ。角度Φ的大小可以影响流动收缩的效率，因此影响压力调节器的效果。对于可接受的效率，角度Φ应当小于大约135°，优选是从大约80°到100°。

当角度Φ太大或太小时，该压力调节器不能使流动突然收缩或产生很强的压力梯度，因此不能调节压力。当压力调节器不能调节压力时，将象现有技术的水口一样，该水口不能减小横过水口控制区域的压力差。减小的压力差使得腐蚀作用减小，并使控制区域的尺寸和形状稳定，从而减小了摆动，增加了流动稳定性。

例如，当角度Φ太小时，当水口设置成如图13所示，收缩处上游的压力调节器的壁沿朝着收缩区域的方向扩张时，压力调节可能变差，因为在压力空间内可能发生严重的流动分离。在压力空间内的流动分离降低了压力调节器调节压力的能量。同样，当角度Φ太小时，当水口设置成如图15所示时，在压力空间内可能发生严重的流动分离。减小角度Φ将增加流动分离的危险。

图16还表示了在收缩处顶架板和上游水口孔之间的半径R。对于可接受的效率和效果，半径R必须小于(B-A)/2，优选是小于(B-A)/4。

液态金属10流进入压力调节器并接近确定长度L1的部分，该部分的总尺寸为B，这样，比L1/B的范围从大约0.7至8.0，优选范围是从大约1.0到2.5。流动在压力调节器部分130的架板135处收缩，该总尺寸B减小至尺寸A。比B/A应当大于1.4，优选是在从大约1.7到2.5。如上所述，架板确定了在该架板和压力调节器的上游孔之间的角度Φ。该角度Φ必须小于大约135°，优选是范围为从大约80°到100°。压力调节器的收缩区域的长度为L2，比L2/A小于大约6.0，优选是范围为从大约0.3到0.5。

图17表示了从浇口盘15到模具20的第二液态金属流动系统，该液态金属流动系统包括本发明第二实施例的水口200。如图18所示，该水口200包括三个部件：进口插入件203、压力调节器插入件205和主体210。象水口100一样，水口200有孔215，该孔分成三个部分：进口部分220，从点221延伸到点223；压力调节器部分230，从点223延伸到点227；以及底部240，从点227延伸到点228。进口插入件203与压力插入件205分离，因为各自以不同速度磨损。需要时，进口插入件203和压力调节器插入件205可以单独更换。

象压力调节器130一样，压力调节器230产生突然的、强烈的流体压缩，这使得横过水口200的控制区域的压力差减至最小，也使得该控制区域的磨损减至最小，并最终增加流动的稳定性。

本发明还可以采取图20-26的结构，它们都包括水口300、400、500、600、700、800和900，这些水口300、400、500、600、700、800和900都能够如上所述进行压力调节。各水口300、400、500、600、700、800和900有三个部分，这三个部分与图8和17中的三个部分相同：进口部分320、420、520、620、720、820或920；压力调节器部分330、430、530、630、730、830或930；以及底部340、440、540、640、740、840或940。图20-23表示了具有不同结构的、在调节部分后面的底部的实施例，用于不同的目的。图24-26表示了具有不同结构的、在调节部分前面的进口部分的实施例，用于不同的目的。只要压力调节器如前所述，各种在调节部分后面或前面的结构都可以获得有益效果。

尽管已经通过特殊实施例介绍了本发明，但是本领域技术人员应当知道很多其它变化形式和其它用途。本发明并不由说明书限定。

Claims (17)

1.一种水口，用于沿流动方向传送液态金属流，并利用活动调节器来控制液态金属的流量，该水口包括：

(a)内表面，该内表面确定了流过孔，以便传送流体；

(b)进口部分，用于与该调节器配合，并确定了在它们之间的控制区域；以及

其特征在于：在控制区域下游的压力调节器用于减小横过该控制区域的压力差。

2.根据权利要求1所述的水口，其特征在于：该调节器是止动器杆。

3.根据权利要求1或2所述的水口，其特征在于：该压力调节器包括安装在水口内的插入件。

4.根据权利要求3所述的水口，其特征在于：该插入件确定了进口部分，并包括至少一个收缩区域，以便使在该进口部分下游的流动收缩，且该插入件确定有压力调节器。

5.根据权利要求4所述的水口，其特征在于：该收缩区域的与流动方向对齐的长度为“L₂”，垂直于流动方向的宽度为“A”，而压力调节器部分在与流动方向对齐的方向上的长度为“L1”，垂直于流动方向的宽度为“B”。

6.根据权利要求5所述的水口，其特征在于：宽度“B”除以宽度“A”确定了收缩比“B/A”，长度“L1”除以“B”确定了压缩空间比“L1/B”，长度“L2”除以宽度“A”确定了相对收缩长度比“L2/a，”对这些比值进行选择以便能够减小流动分离。

7.根据权利要求5或6所述的水口，其特征在于：该宽度“B”除以宽度“A”确定了收缩比“B/A”，该收缩比“B/A”大于大约1.4。

8.根据权利要求5-7中任意一个所述的水口，其特征在于：该宽度“B”除以宽度“A”确定了收缩比“B/A”，该收缩比“B/A”的范围为从大约1.7到2.5。

9.根据权利要求5-8中任意一个所述的水口，其特征在于：该长度“L1”除以宽度“B”确定了压力空间比“ L1/B”，该压力空间比“L1/B”大于大约0.7并小于大约8.0。

10.根据权利要求5-9中任意一个所述的水口，其特征在于：该长度“L1”除以宽度“B”确定了压力空间比“L1/B”，该压力空间比“L1/B”的范围为从大约1.0到2.5。

11.根据权利要求5-10中任意一个所述的水口，其特征在于：该长度“L2”除以宽度“A”确定了相对收缩长度比“L2/A”，该相对收缩长度比“L2/A”小于大约6.0。

12，根据权利要求5-11中任意一个所述的水口，其特征在于：该长度“L2”除以宽度“A”确定了相对收缩长度比“L2/A”，该相对收缩长度比“L2/A”的范围为从大约0.3到1.5。

13，根据权利要求5-12中任意一个所述的水口，其特征在于：该压力调节器部分有沿流动方向的侧边和大致垂直于流动方向的底部，该侧边和底部确定了角度Φ，其特征在于该角度Φ小于大约135°。

14.根据权利要求13所述的水口，其特征在于：该角度Φ的范围为从大约80°到100°。

15.根据权利要求13或14所述的水口，其特征在于：在侧边和底部之间确定了半径R，该半径R小于大约(B-A)/2。

16.根据权利要求15所述的水口，其特征在于：该半径R小于大约(B-A)/4。

17.一种控制流体在前述任意一个权利要求所述的水口中流动的方法，使得该流体流动具有流动方向。

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