RU2030958C1

RU2030958C1 - Immersion nozzle for metal continuous casting

Info

Publication number: RU2030958C1
Authority: RU
Inventors: С.Н. Писарский; Д.А. Дюдкин; А.А. Клачков; Е.Б. Хренов; Ю.В. Ярыгин; О.И. Новиков; С.Н. Просвиров; В.А. Науменко; В.А. Коростелев; Н.Ф. Анищенко
Original assignee: Донецкий научно-исследовательский институт черной металлургии
Priority date: 1991-06-17
Filing date: 1991-06-17
Publication date: 1995-03-20

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: immersion nozzle has discharge diffuser slot-shaped hole whose length equals 1.5-4.5 of its initial width, angle of opening of diffuser wide walls is within 30-60 deg. and discharge hole is supplemented before diffuser with section of constant width and section length amounts to 1-6 of its width. EFFECT: higher efficiency. 4 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии, конкретно к непрерывной разливке стали на МНЛЗ. The invention relates to metallurgy, specifically to the continuous casting of steel at CCM.

Известен погружаемый стакан (заявка Великобритании N 1433173, кл. В 22 D 11/10), имеющий выпускное отверстие в форме щели, что обеспечивает формирование затопленной плоской веерной струи. Известен погружаемый стакан (авт. св. СССР 420381, кл. В 22 D 11/00, 1974), имеющий крестообразное щелевое выпускное отверстие, образованное пересечением двух плоских щелей отверстий, и обеспечивающий формирование затопленной пространственной струи. Known immersion glass (application UK N 1433173, CL. 22 D 11/10), having an outlet in the form of a gap, which ensures the formation of a flooded flat fan stream. Known submersible glass (ed. St. USSR 420381, class B 22 D 11/00, 1974), having a cross-shaped slotted outlet formed by the intersection of two flat slots of the holes, and providing the formation of a flooded spatial stream.

Использование указанных стаканов при отливке слябов и блюмов или круглых заготовок позволяет добиться равномерного распределения потоков расплава по сечению кристаллизатора. Однако использование известных стаканов приводит лишь к незначительному улучшению качества слитка, в основном за счет повышения равномерности затвердевания и снижения степени отрицательной ликвации в подповерхностной зоне слитка вследствие уменьшения интенсивности локального теплового и гидродинамического воздействия струи расплава из погружаемого стакана на фронт затвердевания, и не позволяет улучшить качество поверхности внутренней структуры слитка. The use of these glasses when casting slabs and blooms or round billets allows for uniform distribution of melt flows over the cross section of the mold. However, the use of known glasses leads only to a slight improvement in the quality of the ingot, mainly due to an increase in the uniformity of solidification and a decrease in the degree of negative segregation in the subsurface zone of the ingot due to a decrease in the intensity of the local thermal and hydrodynamic effects of the melt jet from the immersed glass on the solidification front, and does not allow to improve the quality surface of the inner structure of the ingot.

Известен погружаемый стакан, имеющий выпускное диффузорное отверстие щелевой формы с углом раскрытия широких стенок 2α= 10-26^о и длиной диффузора составляющей 1,5-4,5 его начальной ширины.Known immersion glass having an outlet diffuser hole slotted with an opening angle of wide walls 2α = 10-26 ^about and the length of the diffuser component of 1.5-4.5 of its initial width.

При таких углах раскрытия и длине диффузора значительно снижается интенсивность вихреобразования вследствие того, что отрыв транзитной турбулентной струи от широких стенок диффузора происходит вдали от его начального сечения. В результате имеет место смягчение торможения струи при сокращении длины диффузора. Щелевая форма отверстия уменьшает размывающее действие струи на фронт затвердевания. At such opening angles and the length of the diffuser, the vortex formation intensity is significantly reduced due to the fact that the detachment of the transit turbulent jet from the wide walls of the diffuser occurs far from its initial cross section. As a result, there is a softening of the braking of the jet while reducing the length of the diffuser. The slotted shape of the hole reduces the erosion effect of the jet on the solidification front.

Использование указанного стакана позволяет повысить скорость затвердевания в кристаллизаторе, что с точки зрения формирования непрерывного слитка не соответствует оптимальному режиму затвердевания и ведет к ухудшению качества структуры слитка (Соболев В.В., Трефилов П.М. Теплофизика затвердевания металлов при непрерывном литье. М.: Металлургия, с.69). The use of this glass allows to increase the rate of solidification in the mold, which from the point of view of the formation of a continuous ingot does not correspond to the optimal solidification regime and leads to a deterioration in the quality of the structure of the ingot (Sobolev V.V., Trefilov P.M. Thermophysics of metal solidification during continuous casting. M. : Metallurgy, p. 69).

Кроме того, обусловленное ростом скорости затвердевания в кристаллизаторе увеличение толщины корочки слитка в нем приводит к снижению температуры поверхности, ухудшению работы шлакового гарниссажа и росту количества дефектов на поверхности слитка. In addition, due to the increase in the rate of solidification in the mold, an increase in the thickness of the ingot crust in it leads to a decrease in surface temperature, a deterioration in the work of the slag skull and an increase in the number of defects on the surface of the ingot.

Цель изобретения - улучшение качества слитка. The purpose of the invention is improving the quality of the ingot.

Это достигается тем, что в погружаемом стакане, имеющем выпускное диффузорное отверстие щелевой формы, длина которого составляет 1,5-4,5 его начальной ширины, угол раскрытия широких стенок диффузора выполнен равным 30-60^о, а выпускное отверстие дополнено расположенным перед диффузором участком постоянной ширины, при этом длина участка составляет 1-6 его ширины.This is achieved in that in the immersion cup, having an outlet diffuser slot shaped opening, the length of which amounts to 1.5-4.5 of its initial width, wide open angle of the diffuser wall is made equal to ^about 30-60, and the outlet diffuser arranged in front completed portion constant width, while the length of the plot is 1-6 of its width.

На фиг.1 показан погружаемый стакан с прямоточным выпускным диффузорным отверстием в виде крестообразной щели, образованной пересечением двух плоских щелевых отверстий, общий вид; на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - сечение В-В на фиг.1. Figure 1 shows an immersion cup with a once-through outlet diffuser hole in the form of a cross-shaped slit formed by the intersection of two flat slotted holes, general view; figure 2 is a view along arrow a in figure 1; figure 3 is a section bB in figure 1; figure 4 - section bb in figure 1.

Погружаемый стакан 1 имеет центральный канал 2 и выпускное отверстие 3 в виде крестообразной щели, образованной пересечением двух плоских щелевых отверстий. Отверстие имеет расположенный перед диффузором 4 с начальной шириной b и углом раскрытия широких стенок 5 2α= 30--60^о участок 6 постоянной ширины, равной начальной ширине b диффузора 4. Длина участка 6 постоянной ширины составляет l₁= = (1-6)˙b, диффузора - l₂ = (1,5-4,5). При такой конструкции выпускного отверстия 3 погружаемого стакана 1 на участке 6 постоянной ширины b происходит формирование равномерного по сечению профиля скорости потока, а в диффузоре с углом раскрытия широких стенок отверстия 2α= 30...60^о - интенсивное вихреобразование.Immersed glass 1 has a Central channel 2 and the outlet 3 in the form of a cross-shaped slit formed by the intersection of two flat slotted holes. The hole has a diffuser 4 disposed before an initial width b and the angle of wide opening walls 5 2α = 30--60 portion 6 ^of constant width equal to the initial width b of the diffuser portion 4. The length 6 of constant width l ₁ = (1-6) ˙b, diffuser - l ₂ = (1.5-4.5). With this construction, the outlet 3 of the immersion nozzle 1 to 6 of constant width portion b is formed uniformly over the cross section profile of the flow rate, and the diffuser walls with a wide aperture angle of 2α = 30 ... 60 ^of openings - an intensive vortex formation.

При углах раскрытия 2α =30...60^о отрыв затопленной транзитной турбулентной струи от широких стенок 5 диффузора 4 начинается уже в его начальном сечении 7, что приводит к интенсивному зарождению вихрей по всей длине диффузора на неустойчивой границе струи, где градиенты давлений и скорости максимальны.At angles disclosure 2α = 30 ... 60 ^of the transit gap submerged turbulent jet from the broad walls 5 of the diffuser 4 begins in its initial section 7, which leads to an intense nucleation of vortices along the entire length of the diffuser in an unstable boundary plane, wherein the pressure and velocity gradients maximum.

За счет повышения начальной интенсивности турбулентности ε_и, обеспечивающей значительную деформацию границ струи, проявляется эффект ее аномального расширения. Сразу за выпускным отверстием погружаемого стакана идет быстрое увеличение уровня турбулентной вязкости ν_т, а после достижения расширяющейся струей фронта кристаллизации турбулентная вязкость расплава распределена по сечению практически равномерно.By increasing the initial intensity of turbulence ε _and providing a significant deformation of the jet boundaries, the effect of its anomalous expansion is manifested. Immediately behind the outlet of the immersed nozzle there is a rapid increase in the level of turbulent viscosity ν _t , and after reaching the expanding stream of the crystallization front, the turbulent viscosity of the melt is distributed almost uniformly over the cross section.

За счет эффекта "дальнодействия" турбулентности происходит передача турбулентных пульсаций в потоке на значительные расстояния, в том числе и по направлению нормали к линиям тока. Турбулентный перенос импульса, тепла и вещества по интенсивности намного превосходит молекулярный, что обуславливает для области турбулентного перемешивания рост коэффициента эффективной теплопроводности λ_эф , выравнивание температуры и химического состава, повышение перепада температур ΔТ у фронта затвердевания, рост коэффициента теплоотдачи α_ж и плотности теплового потока q=α_жΔT от расплава к фронту затвердевания.Due to the “long-range” effect of turbulence, turbulent pulsations in the flow are transmitted over considerable distances, including in the direction of the normal to streamlines. The turbulent transfer of momentum, heat and substance of the intensity is much greater than the molecular, which leads to the turbulent mixing of the rise in the effective thermal conductivity λ _eff, equalization of temperature and chemical composition, the temperature difference increase? T from the solidification front, increase the heat transfer coefficient α _w and the heat flow density q = α _W ΔT from the melt to the solidification front.

В результате в области перемешивания замедляется скорость его продвижения при одновременном повышении равномерности затвердевания. Увеличение плотности теплового потока q от расплава к корочке слитка при уменьшении ее толщины, а следовательно, и величины термического сопротивления приводит к усилению теплоотвода от слитка и ускоренному снятию перегрева его жидкого ядра, более раннему переходу от последовательного к объемному характеру затвердевания. As a result, in the mixing region, the rate of its advance slows down while increasing the uniformity of solidification. An increase in the density of the heat flux q from the melt to the crust of the ingot with a decrease in its thickness and, consequently, the value of thermal resistance leads to an increase in heat removal from the ingot and accelerated removal of overheating of its liquid core, an earlier transition from consistent to volumetric solidification.

Ускоренное снятие перегрева за счет турбулентного перемешивания создает благоприятные теплофизические условия для расширения центральной зоны равноосных кристаллов, сокращения зоны столбчатых кристаллов и уменьшения осевой физической и химической неоднородности слитка. Accelerated removal of overheating due to turbulent mixing creates favorable thermophysical conditions for expanding the central zone of equiaxed crystals, reducing the columnar crystal zone and reducing the axial physical and chemical inhomogeneity of the ingot.

Турбулентное перемешивание, предотвращая коагуляция неметаллических включений (НВ) в расплаве и способствуя росту дисперсности дендритной структуры за счет роста температурного градиента у фронта затвердевания, обеспечивает уменьшение размеров НВ и степени их отрицательного влияния на качество слитка. Кроме того, при перемешивании вследствие сокращения ширины двухфазной зоны снижается вероятность захвата НВ растущими дендритами и уменьшается количество НВ в подповерхностной зоне слитка. Turbulent mixing, preventing coagulation of non-metallic inclusions (HB) in the melt and contributing to an increase in the dispersion of the dendritic structure due to an increase in the temperature gradient at the solidification front, ensures a decrease in the size of HB and the degree of their negative effect on the quality of the ingot. In addition, when mixing due to the reduction in the width of the two-phase zone, the probability of capture of HB by growing dendrites decreases and the number of HB in the subsurface zone of the ingot decreases.

За счет гидродинамического воздействия турбулентного потока на фронт затвердевания при перемешивании в подповерхностной зоне происходит усиление вымывания ликвирующей примеси из междендритного пространства и устраняется возможность образования подповерхностных газовых пузырей при кристаллизации. В результате повышается чистота, плотность и прочность подповерхностного слоя слитка, снижается вероятность образования трещин и прорывов, уменьшается количество поверхностных дефектов на прокате. Этому способствует также и повышение качества поверхности слитка в результате увеличения температуры его поверхности и улучшения работы шлакового гарниссажа. Due to the hydrodynamic effect of the turbulent flow on the solidification front with stirring in the subsurface zone, the leaching of impurity impurities from the interdendritic space is enhanced and the possibility of the formation of subsurface gas bubbles during crystallization is eliminated. As a result, the purity, density and strength of the subsurface layer of the ingot increases, the likelihood of cracking and breakthroughs decreases, and the number of surface defects at the hire decreases. This also contributes to improving the quality of the surface of the ingot as a result of increasing the temperature of its surface and improving the operation of the slag skull.

При угле раскрытия широких граней диффузора 2α меньше 30^о область отрыва транзитной струи смещается от начального сечения диффузора вниз по ходу распространения струи и эффективность вихреобразования, а следовательно, и турбулентного перемещения снижается. При 2α больше 60^о неоправданно возрастают габариты, вес и стоимость погружаемого стакана без роста эффективности вихреобразования. При длине l₁ участка выпускного отверстия постоянной ширины меньше b резко снижается стабильность гидродинамических характеристик затопленной струи во времени за счет химической и термомеханической эрозии выпускного отверстия стакана под действием потока расплава, а при длине l₁ больше 6b не улучшается стабильность гидродинамических характеристик струи, но возрастает вероятность заметалливания отверстия стакана в начале разливки. При длине l₂ участка диффузорной части выпускного отверстия меньше 1,5b резко снижается интенсивность вихреобразования и не достигается поставленная цель, а при l₂ больше 4,5b возрастают габариты, масса и стоимость стакана без повышения эффективности вихреобразования.At an angle of opening of the wide faces of the diffuser 2α less than 30 °, ^the region of separation of the transit jet shifts from the initial cross section of the diffuser downstream of the jet and the efficiency of vortex formation, and hence turbulent movement, decreases. At 2α greater than 60 ^о , the dimensions, weight and cost of the immersed glass without increasing the efficiency of vortex formation unreasonably increase. With a length l ₁ of the outlet section of constant width less than b, the stability of the hydrodynamic characteristics of the flooded jet over time is sharply reduced due to chemical and thermomechanical erosion of the nozzle outlet under the action of the melt flow, and with a length l ₁ greater than 6b the stability of the hydrodynamic characteristics of the jet does not improve, but increases the likelihood of the glass opening noticing at the start of casting With a length l _{2 of the} section of the diffuser part of the outlet opening less than 1.5b, the vortex formation intensity sharply decreases and the goal is not achieved, and with l ₂ more than 4.5b the dimensions, weight and cost of the cup increase without increasing the efficiency of the vortex formation.

Погружаемый стакан может иметь одно или несколько выпускных отверстий как боковых, так и прямоточных. An immersed glass may have one or more outlet openings, both lateral and direct-flow.

П р и м е р. Погружаемый стакан для отливки блюмов и круглых заготовок имеет центральный канал диаметром 90 мм и прямоточное выпускное отверстие в виде крестообразной щели, образованной пересечением двух плоских щелевых диффузорных отверстий. Начальный размер каждой щели 20х90 мм. Отверстие имеет участок постоянной ширины b = 20 мм длиной, составляющей 4b = 4˙20 = 80 мм и диффузор с углом раскрытия по широким граням 2α= 40^о и длиной 2˙b= 2˙20 = =40 мм.PRI me R. An immersed glass for casting blooms and round billets has a central channel with a diameter of 90 mm and a straight-through outlet in the form of a cross-shaped slit formed by the intersection of two flat slotted diffuser holes. The initial size of each slot is 20x90 mm. The hole has a section of constant width b = 20 mm long, component 4b = 4˙20 = 80 mm, and a diffuser with an opening angle over wide faces of 2α = 40 ^о and a length of 2˙b = 2˙20 = = 40 mm.

Применение предложенной конструкции погружаемого стакана с указанными значениями угла раскрытия широких граней диффузора, длины участка постоянной ширины и диффузора обеспечивает за счет интенсификации турбулентного перемешивания расплава в кристаллизаторе улучшение качества поверхности и структуры непрерывнолитого и катаного металла, повышение его служебных и технологических свойств. В результате снижения чувствительности формируемой структуры и развития осевой физической и химической неоднородности в слитке к изменению таких параметров технологии как степень перегрева металла, скорость разливки, интенсивность вторичного охлаждения снижаются требования по точности их соблюдения, а также по точности настройки роликов зоны вторичного охлаждения. При этом упрощается и удешевляется эксплуатация МНЛЗ и обеспечивается достаточно высокий уровень качества литого и катаного металла. The application of the proposed design of the immersion nozzle with the indicated values of the opening angle of the wide faces of the diffuser, the length of the section of constant width and the diffuser provides due to the intensification of turbulent mixing of the melt in the mold, improving the surface quality and structure of continuously cast and rolled metal, increasing its service and technological properties. As a result of a decrease in the sensitivity of the formed structure and the development of axial physical and chemical heterogeneity in the ingot to changes in technology parameters such as the degree of metal overheating, casting speed, and secondary cooling intensity, the requirements on the accuracy of their observance and on the accuracy of setting the rollers of the secondary cooling zone are reduced. At the same time, the operation of continuous casting machines is simplified and cheapened, and a sufficiently high level of quality of cast and rolled metal is ensured.

Claims

SUBMERSIBLE GLASS FOR CONTINUOUS METAL Pouring, having a slotted outlet with a diffuser at the outlet, the length of which is 1.5 - 4.5 of its initial width, characterized in that, in order to improve the quality of the ingot, the opening angle of the wide walls of the diffuser is 30 - 60 ^o , and the outlet is made with a section located in front of the diffuser of constant width, the length of which is 1 to 6 of its width.