CN1511070A - 用于分开并且分配液态金属流的冲击垫 - Google Patents

Abstract

一种用在熔融金属连铸中的中间包冲击垫，它包括：一基板(2)，它具有至少部分由形成有通道的侧壁(4)包围的上冲击表面。该冲击垫用来接收熔融金属输入流并且使之偏转，并且使得偏转流能够通过该冲击垫的通道和开口顶面流出。围绕着所述通道的拱形阶梯形部分(8、9、10)和/或堰形壁(4)帮助引导流出。流出的分开和分配有助于在冲击垫和中间包出口之间在熔融金属中产生单向流。

Description

用于分开并且分配液态金属流的冲击垫

技术领域

本发明涉及一种用于减小熔融金属熔池中的表面湍流的设备，更具体地说涉及一种用于控制输入钢水包流的流体流型、以便降低在连铸期间在中间包中的表面湍流的冲击垫。

背景技术

在铸造过程中，熔融金属从第一容器流入进第二容器或模具。例如，在钢的连铸中的一般做法是从钢水包容器将熔融金属转移到中间包容器并且从中间包容器转移到模具中。熔融金属流通常从连接在钢水包底部上的喷嘴、管道或护罩中流出，并作为下落流进入中间包。金属通常作为通过在中间包底部中的出口流出的一股或多股排出流离开中间包。

水模拟法是模拟熔融金属流动的可接受方法，并且已经用来分析熔融钢水流从钢水包进入中间包的流动。水模拟法已经显示出输入的钢水包液流从中间包底面朝着熔融金属表面偏转。偏转的液流会向上涌动并且在熔融钢水表面处产生过大的湍流。结构屏障例如中间包侧壁和端壁会加剧湍流。过大的湍流会使表面上的保护渣壳分解并且将熔渣颗粒带入到熔融钢水中。因此暴露于空气会使钢氧化。熔渣颗粒会在固化钢水中产生杂质。这2种因素都对最终产品产生负面影响。

中间包冲击垫用来防止中间包衬里受到钢水包液流的侵蚀，但是它们还用来控制偏转液流、湍流和熔融金属在中间包的流动。冲击垫设置在中间包的底部上以接受输入的钢水包液流。冲击垫包括一上表面，该表面能够承受熔融金属输入流的冲击力和侵蚀作用。当冲击垫的侵蚀出现时，该冲击垫比中间包衬里更容易更换。冲击垫的上表面通常大于输入液流的横断面或直径，以适应中间包相对于钢水包的横向和垂直运动。

现有技术的中间包冲击垫可以简单地由限定一上表面的耐火材料平板构成。该冲击垫可以设置在中间包的底部中或者嵌入其中。该垫优选设置在钢水包护罩下方，从而输入液流将冲击在该垫的上表面上。这个结构往往不能控制偏转钢水包液流。

现有技术还包括设计用来通过重新引导偏转液流来改善中间包流动特性的冲击垫。现有技术垫板包括用来改变输入液流的偏转图案和在中间包熔池中的整体流动特性的形状以便减小在中间包中的喷溅和湍流。Soofi的US5072916披露了一种具有波浪形上表面和波浪形侧壁的冲击垫，以便用来重新引导并且减缓反射流且同时降低了流体的喷溅、振荡和湍流。Saylor的US5358551披露了一种冲击垫，它具有完全围绕着该垫板的上表面周围的环形侧壁，由此形成一种具有内部空间的冲击垫。该环形壁包括一下部凹口，用来使流体向上并向内转向。

Schmidt等人的US Re.35685披露了一种冲击垫，它包括一具有下部凹口表面的外侧壁，它重新引导该流体并且使之返回到输入流。与Saylor不同，该侧壁没有描述为环形，即该侧壁没有完全缠绕在上表面的周边上。流体的主要部分沿着中间包的底部朝着中间包开口流出，并且没有朝着金属表面向上引导。

Vo Thanh等人的US4776570披露了一种钢水包碎流装置，该装置由具有顶壁和侧壁的封闭箱子构成。顶壁包括一开口，所述钢水包护罩的底端装配在其中，从而输入流进入该箱子。侧壁具有多个简单笔直的孔，这些孔使得熔融金属能够以多股低能子流的形式离开该箱子。在没有顶壁的情况下，熔融金属没有任何刺激离开这些孔并且可能从碎流装置的顶部排出。该碎流装置被描述成抑制熔渣夹杂并且允许进行更好的夹杂物分离。与冲击垫不同，碎流装置为具有顶壁的封闭箱体。另外，该碎流装置固定在钢水包护罩上，并且阻碍了钢水包和中间包之间的相对横向运动。使钢水包护罩相对于中间包自由运动非常有用，并且可以证实对铸造操作是必要的。本发明人关心不使用钢水包碎流装置。

现有技术的冲击垫不能充分地控制熔融金属在中间包的流动。平坦的冲击垫可以具有过大的喷溅，从而导致表面湍流和金属的氧化。由于中间包壁附近的强向上液流部分和输入流周围的向下拖拽力而出现熔渣夹杂。这个行为会导致脏钢并且通常降低了金属质量。成形的冲击垫首先使流体向上朝着中间包的顶面引导。流体朝着熔池表面的重新引导会干扰该表面，从而导致湍流和由熔渣和气体构成的液态金属污染物。还有由现有技术垫板在中间包熔池中产生的整体流型不能为非金属浮选或者为降低在化学转换期间金属化合物之间的混合提供最好机会。具有不是环形的侧壁的现有技术冲击垫主要在中间包底部附近向外重新引导流体。这个重新引导有助于降低表面扰动，从而不会为非金属浮选或降低金属化合物之间的混合提供最好的机会。

有或没有侧壁的现有技术冲击垫不会以这样一种方式重新引导流体，即流体以受控的方式在向上和向外方向上被分开并且分配，从而降低了表面湍流，同时允许进行夹杂物分离。

发明概述

本发明的中间包冲击垫包括具有由形成通道的侧壁围绕的上冲击表面的基板。侧壁可以是环形的，并且与基板一起形成具有开口顶面的内部空间。

冲击垫用来接受熔融金属输入流并且使之在冲击表面上偏转。冲击垫用来允许偏转流流动穿过通道。通过环形侧壁，流体可以只是通过开口顶面和通道离开内部空间。

本发明的一个目的在于提供一种冲击垫，它使输入流平行于上冲击表面偏转。该冲击垫然后将该偏转流分开并分配成单独部分，这些单独部分从冲击垫流动穿过在侧壁中的多条通道并且向上穿过顶面。

本发明的另一个目的在于提供一种冲击垫，它使偏转流在向上和向外方向上分开并且分配，以便降低熔融金属熔池的表面扰动。

本发明的另一个目的在于提供一种冲击垫，它促进了熔融金属在中间包中的单向流动，尤其是偏转流从冲击垫朝着中间包出口的单向流动。

本发明的再一个目的在于使流体在向上和向外方向之间分开以便降低流体对由输入流偏心冲击在冲击表面上而造成的扰动和不对称性的敏感程度。

在一个实施方案中，冲击垫包括由具有多条通道的带孔侧壁围绕的基板。优选的是，侧壁包括用来使偏转流流向通道的部件。这些部件可以包括位于通道上方和下方的偏转表面。

在另一个实施方案中，堰形壁使内部空间分成多个腔室，由此使偏转流减速。偏转流在这些壁上方或者围绕着它流向带孔侧壁，并且通过通道或顶部边界离开内部空间。

附图的简要说明

图1为中间包和现有技术平板冲击垫的剖视图，显示出流型；

图2为中间包和具有笔直侧壁的现有技术冲击垫的剖视图，显示出流型；

图3为中间包和具有向内弯曲侧壁的现有技术冲击垫的剖视图，显示出流型；

图4为中间包和具有局部向内弯曲侧壁的现有技术冲击垫的剖视图，显示出流型；

图5a为本发明冲击垫的透视图；

图5b为沿着本发明冲击垫的A-A线剖开的剖面透视图；

图5c为本发明冲击垫的剖视图；

图6为在中间包内的本发明冲击垫的透视图，它包括流型；

图7为本发明冲击垫的剖视图，显示出流型；

图8为本发明冲击垫的剖视图，显示出单向流动；

图9a为本发明可选实施方案的透视图；

图9b为图9a的剖面透视图；

图10a为本发明另一个可选实施方案的透视图；

图10b为图10a的剖面透视图；

图11为本发明另一个可选实施方案的透视图，它包括堰形结构；

图12a为图11的横向剖视图；

图12b为图12的纵向剖视图。

优选实施方案的详细说明

图1为设置在中间包2内的现有技术平板冲击垫1的剖面示意图。箭头表示进入中间包2的输入流3、离开中间包2的排出流4以及包含在中间包空间5中的熔融金属的某些其它流动分量。由于熔融金属在整个中间包空间5上喷溅并且搅动，所以在中间包空间5中的整体流型具有大量的分量。平板1的冲击表面7使输入流3向外偏转以产生偏转流6。一部分偏转流6反向并且朝着输入流3向上并且向下运动以形成反向流8。另一部分偏转流6产生向上流11，它在中间包2的壁9之外朝着熔融金属的顶面10向上流动。向上流11可以造成表面湍流以及熔融金属在顶面10处与熔渣混合。向下流12在输入流3向下拖拽一部分周围熔融金属时出现。向下流12还可以将来自顶面10的熔渣结合进熔融金属中。表面流13可以沿着顶面10朝着中间包出口14流动，而短路流15在它在中间包底部16附近朝着出口14运动时沿朝着中间包出口14更短的路径。短路流15限制了杂质在熔融金属中的浮选的机会。图1的平板冲击垫1不会有效阻碍不理想的流型，包括短路流15、向上流11和向下流12。

图2显示出具有现有技术冲击垫2的中间包1，它具有环形侧壁3。输入流4的主要部分沿着向下方向流动直到该冲击垫2的冲击表面5使得偏转流6从冲击垫2向外运动。作为一部分偏转流6的反向流7朝着输入流4向上并且向内流动。另一部分偏转流6产生一向上流8，它在离开冲击垫2的内部空间时沿着向上并且向外的方向流动。另一部分偏转流6形成一向上流9，它沿着大致向上的方向离开冲击垫11的内部空间。如在图1中一样，表面流10到达熔融金属的顶面11并且沿着顶面11朝着中间包出口12运动。同样，图3显示出现有技术的冲击垫2。该冲击垫具有带有面对着偏转流6的下凹口表面13的环形外侧壁3。偏转流6被描述成向上并且向内偏转。否则流型类似于图2的那些图案。

图4为具有现有技术的另一种冲击垫2的中间包1的剖面示意图。如在前面视图中一样，输入流3继续沿着向下方向流动直到冲击垫2的冲击表面4产生向外流动的偏转流5。侧壁5包括一下凹口表面6，它使偏转流返回到输入流3上。现有技术披露了离开冲击垫2的反向流7不会朝着顶面10向上流动，而是向外流动穿过没有任何侧壁的冲击垫2的开口端8。短路流9保持大体上靠近中间包1的底部11直到短路流9在出口12处离开中间包2。

现有技术冲击垫不会在中间包内产生理想的熔融金属流。例如，图2和图3显示出环形外侧壁。这些冲击垫朝着熔池的顶面沿着大体上向上方向引导将冲击垫内部分开的流体。向上流会干扰在中间包中的熔融金属顶面。表面干扰和所得到的湍流会造成熔融金属和位于液态金属表面上方的熔渣或气体之间出现有害的相互作用。如果输入流没有击打冲击表面的中心，则这些问题会加剧，在该情况中向上流是不对称的并且速度会更高。图1和4显示出相当多的短路流，这些短路流降低了杂质在离开中间包之前与液流分开的可能性。

单向流或柱塞式流动(plug flow)是这样一种液流，它降低了并且理想的是消除了混合和湍流。单向流允许材料作为“柱塞”进入和离开容器，其中每个柱塞在容器中具有相似的驻留时间。在中间包中的单向流与从钢水包护罩到中间包出口的均匀流相对应。单向流限制了在用于金属杂质的顶面和导致的电位处的扰动和湍流。单向流还控制了流体的短路，并由此增加了通过浮选使非金属杂质与钢分离的时间和机会。另外，单向流通过降低造成在已经在熔池中的液体和进入该熔池的新液体之间的混合的旋转气流的范围来为化学转换提供理想的条件。单向流在铸造中是有利的，因为它会降低湍流，因此降低氧化和熔渣夹杂。现有技术冲击垫不会在中间包中产生单向流。输入流与已经存在于中间包的材料混合，并且导致了多种驻留时间，由此导致在中间包中的驻留时间和滞流区域的短路。这种流型是不理想的，并且对非金属组分与液态金属的分离效率产生负面影响。

在图5a、5b和5c中显示出本发明的冲击垫，其中图5a显示出该冲击垫的透视图，5b显示出沿着A-A线的断面，而5c显示出从下透视位置看的剖开的冲击垫。冲击垫1包括具有上冲击表面3的基板2。该冲击表面至少部分由侧壁4包围。侧壁4包括一内表面7并且大体上位于冲击表面3的周边处。侧壁4形成有多条通道5。内部表面7可以包括围绕着通道5的拱形阶梯状结构8。拱形阶梯状结构8包括形成拱顶9的第一约束表面6。拱形9形成在侧壁中或其上，并且包括有上倾的顶部和壁。通道还可以包括一第三表面，该表面包括形成通道中的台阶10的至少一个面。

本发明的一个实施方案包括一具有环形侧壁的大体上为八边形的冲击垫，所述环形壁具有八个面，每个面具有一条拱形阶梯状通道，从而形成总共八条通道。形成这些通道的面通常垂直于内表面7。拱顶6从冲击表面3向上延伸一拱形高度11，并且该拱形跨过一距离12。拱形通道具有阶梯高度13。在该实施方案中，每条通道具有相同的拱顶高度11、相同的拱顶跨度12以及相同的台阶高度13，但是可选实施方案可以具有尺寸不同的通道。

图6和7显示出在具有本发明的冲击垫5的中间包14中的流动行为。图6显示出直接围绕着该冲击垫的流动行为。由通向中间包2的输入流产生的向下流1冲击着冲击垫5的冲击表面。贯穿冲击垫侧壁的这些通道的独特结构使得流体分成大体向上流3和大体向外流2。向外流2分成通过每条通道向外流动的多股单独流。图7显示出在中间包4的体积中的流动，其中熔融金属朝着中间包出口6流动。单向流在熔融金属朝着出口6流动时在中间包4中产生。如在图8中所示一样，冲击垫5提高了单向流15在中间包4中的产生，因为冲击垫5使液流在向上方向7和向外方向8之间分开，从而提供更加分散的液流，这在熔融金属朝着出口6流动时容易演变成单向流。向上和向外流的划分还降低了熔池顶面的扰动，因为流体不是主要向上引导，而是向上并且向外引导，同时被分成通过通道向外流动的单独流。

本发明的侧壁不必是环形的，但是该侧壁将总是包含有通道。在该侧壁中的通道的尺寸、数量和位置可以改变，并且冲击垫的总体形状也可以变化。根据冲击垫的内部几何形状，这些通道可以是或可以不是拱形的。图9和10显示出具有形成拱形结构4的通道3的侧壁2的冲击垫的第二和第三实施方案的透视图。

在另一个实施方案中，如在图11和12中所示一样，冲击垫1包括基板2、至少一个具有至少一个通道9的侧壁3以及至少一个堰形内侧壁4。根据具体铸造条件，这些侧壁可以是环形的或非环形的。这些通道9可以具有拱形结构，但是也可以是贯穿平坦壁的简单孔。内侧壁4在冲击垫1的内部空间内形成多个腔室5。每个腔室5优选具有顶部开口，并且用作用来输送向外流的模块。具有顶部开口的中间腔室5a主要用作冲击和接收腔室，以便吸收与来自钢水包护罩流的向下流相关的能量。流出腔室5b主要用作输送模块，它专门用来产生稳定且均匀分布的单向流。

冲击垫1应该使输入流与流出流分开，由此降低它们之间的相互作用和混合。输入和流出流的分离使得中间腔室能够吸收流体能量并且通过流出腔室5b给该流体供能。这些流体的分离还使得能够在冲击垫1中产生单向流。

堰形壁应该将输入流和中间流的动态能量分散给流出腔室。内侧堰形壁的高度、形状和位置可以根据具体铸造条件进行调节。具体地说，这些壁应该调节成将流体输送给每个腔室以便根据不同的中间包结构获得单向流。这些壁可以具有任意普通的高度，并且通常具有与侧壁相同的高度。各个壁甚至在高度上可以不同，并且可以或可以不延伸至侧壁。图12a和12b显示出具有延伸至基板2的腿部10的堰形壁4。这些壁4、腿部10和基板2形成孔6。这些孔使得在腔室5之间形成流体连通，尤其在中间腔室5a和流出腔室5b之间形成流体连通。在有或没有孔的情况下，这些壁4可以在它们的顶面8中具有凹陷7，它们使得在这些腔室5之间形成流体连通。重要的是，任何结构的壁可以控制进入流出腔室的流体，从而流出流将通过通道9和顶部开口离开。这样，在冲击垫和中间包出口之间会出现单向流。

本发明的冲击垫引导输入钢水包流穿过在侧壁中的通道以及冲击垫的开口顶面。冲击垫吸收并利用了与向下流相关的高能量以供给这些通道。通过围绕着通道的拱形阶梯形结构或者将冲击垫分成多个腔室的堰形壁来进行引导。流出流离开冲击垫并且朝着中间包出口前进，而且在中间包的整个高度上具有均匀分布的速度。优选的是，冲击垫使输入流分开以便降低流体对在冲击流不会击打冲击垫中心的情况中出现的扰动和不对称性的敏感度。

本发明的冲击垫能够用于特定的中间包几何形状，包括不对称流出(asymmetrical issues)，例如单股、双股和多股系统。在侧壁中的通道和流出腔室可以用来限定结构以满足流体流动要求。例如，可以拆除侧壁以能够将冲击垫安置在中间包端部附近。

虽然已经对本发明的具体实施方案进行了说明，但是本领域普通技术人员可以想到许多其它变化和改进以及其它用途。本发明并不限于在这里具体所述的那些内容。

Claims (11)

1.一种用在连铸中的中间包冲击垫，其特征在于：

a)一基板(2)，它具有用来接收和偏转熔融金属输入流的冲击表面(3)，该冲击表面具有一周边；

b)一侧壁(4)，它沿着至少一部分所述周边从冲击表面向上延伸，所述侧壁形成有多条通道(5)，用来使得至少一部分偏转输入流能够通过这些通道离开。

2.如权利要求1所述的中间包冲击垫，其特征在于，所述侧壁(4)完全包围着基板(2)的周边，从而形成一具有开口顶面的内部空间。

3.如权利要求2所述的中间包冲击垫，其特征在于，所述侧壁形成有多个面，并且每个面形成有至少一条通道。

4.如权利要求3所述的中间包冲击垫，其特征在于，具有八个面，在每个面上具有单条通道。

5.如权利要求1-4中任一项所述的中间包冲击垫，其特征在于，所述侧壁具有内表面，并且在内表面上的拱形阶梯形结构包围着每条通道。

6.如权利要求5所述的中间包冲击垫，其特征在于，所述拱形阶梯形结构包括从基板向上延伸并且跨在所述通道上的表面。

7.如权利要求6所述的中间包冲击垫，其特征在于，所述表面包括在内表面中的凹口。

8.如权利要求2所述的中间包冲击垫，其特征在于，至少一个堰形壁使内部空间分成多个腔室。

9.如权利要求8所述的中间包冲击垫，其特征在于，用来接收输入流的中间腔室，以及至少一个具有开口顶部和形成至少一条通道的侧壁的流出腔室。

10.如权利要求8或9所述的中间包冲击垫，其特征在于，将堰形壁与基板连接在一起的至少一个腿部，由此腿部、壁和基板形成使得在这些腔室之间形成流体连通的孔。

11.如权利要求8-10中任一项所述的中间包冲击垫，其特征在于，所述堰形壁具有一顶面以及位于该顶面上的凹陷，该凹陷使得在腔室之间能够形成流体连通。

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