TW201532709A - 用於鑄造金屬樑柱之鑄嘴 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於供鑄造鋼鐵用的浸入式鑄嘴(1)，其包含：●入口部(1A)；●伸長部(1B)，係沿著第一縱軸(X1)從該入口部(1A)或是與該入口部鄰接；●出口部(1C)，係由外周壁界定且包含在該外周壁開口的第一前吐出孔(35)(outlet front port)；及●澆鑄孔(50)，係與第一縱軸(X1)平行地延伸，在該入口孔(18)開口且至少有一部分延伸於鑄嘴的出口部(1C)，由此至少透過該第一前吐出孔(35)而開放於大氣，該第一前吐出孔(35)係沿著橫切該第一縱軸(X1)的前吐出孔方向(Y1)，從與孔(50)連結的前吐出孔入口端(35i)延伸到在鑄嘴的出口部的外周壁開口的前吐出孔出口端(35o)，●其中鑄嘴出口部(1C)的沿著與第一方向(X1)垂直的平面的平面切口包含：○鑄嘴的出口部(1C)的外周壁的外形，係由壁周緣(1P)、和以該壁周緣所界定的區域的壁形心(1x)界定；及 ○第一橫軸(Y)，係經過孔形心(50x)且沿著與前吐出孔方向(Y1)在切口的平面上的正交投影平行的方向延伸，其特徵為，●鑄嘴沒有包含如下的前吐出孔：沿著與第一前吐出孔(35)相對於縱軸的方向相反的方向延伸，且屬於由縱軸(X1)、和前吐出孔方向(Y1)所界定的平面，及其特徵為，在該平面切口中：●在前吐出孔(35)的側上沿著第一橫軸(Y)所測量的從壁形心(1x)到外周壁的距離(L1)，係比在與前吐出孔(35)相反的側上所測量的同樣距離(L2)還大；L1>L2。

Description

用於鑄造金屬樑柱之鑄嘴
本發明係關於供鑄造如H型樑柱及其類似物的金屬樑柱用的鑄嘴。本發明的鑄嘴可使進入鑄模的金屬流獲得較佳的控制，產出缺陷少的金屬樑柱。
在金屬成型工藝中，金屬熔體液(metal melt)係從一個冶金容器轉移到另一個冶金容器、鑄模或工具。例如，如第1圖所示，盛桶(11)係填充有出自爐子並轉移至餵槽(tundish)(10)的金屬熔體液。接著，能將金屬熔體液從餵槽透過澆鑄鑄嘴(1)送至供形成板坯、方坯(billet)、樑柱坯或錠用的鑄模而進行鑄造。出自冶金容器的金屬熔體液流受重力驅使而流過設於該容器底部的鑄嘴系統(1、111)。尤其是，餵槽(10)通過安裝在其底部(bottom floor)(10a)的鑄嘴(1)與鑄模流體相通(fluid communication)。一些裝置沒有設置餵槽而是直接將盛桶連接至鑄模。
在一些情況下，為了確保鑄模的最佳填充、及流入鑄模的金屬的熱分佈(thermal profile)而對單一鑄模使用兩個鑄嘴。此方法可用於如US3931850中的簡單矩形分佈(rectangular profile)，但是它通常用於成型複 雜形狀的金屬零件，如H狀樑柱或類似物。例如，JPH09122855揭露藉由兩個鑄嘴供料的H型樑柱模，該等鑄嘴係位在H型樑柱的各翼板(flange)與腹板(web)之間的交叉點(注意：「翼板」係指「H」的兩個側面元件而「腹板」係指連接翼板雙方的中間元件；H型樑柱經常也被稱為I型樑柱，在此，這兩個用語係用作同義字)。對單一鑄模使用兩個鑄嘴產生數個缺點。第一，由於需要兩個鑄嘴來取代單一鑄嘴，因此生產成本增加。第二，在鑄造期間，必須妥善調節兩個鑄嘴的流量，以免整體金屬供料流(metal feeding flow)變得不均勻。這是不容易達成的。
如例如在JPS58224050、JPH115144、及JPH05146858中所揭示，每個鑄模包含單一鑄嘴的H型樑柱鑄造裝置已經被提出，因而解決了上述的關於使用兩個鑄嘴的缺點。在每個前述文獻中，包含端出口、以及在鑄嘴的周壁開口的數個前吐出孔的單一鑄嘴係配置在H型鑄模的僅僅一個翼板與腹板之間的交叉點。因其相對於鑄模的偏移位置(offset position)，這種鑄嘴具有較複雜的前吐出孔設計：數個開口並非相對於垂直平面對稱地環繞鑄嘴的周緣分布(如同數個鑄嘴相對於鑄模對稱地配置的情況)。它們至少包含：第一前吐出孔，係與腹板大致平行地延伸且朝向H型鑄模的相對翼板開口。為了確保位於鑄嘴側的翼板角落的適當填充，前述鑄嘴也包含了和第一前吐出孔形成Y形的兩個前吐出孔。前吐出孔通常是朝下延伸的。
鑄嘴的尺寸受限於可在H型鑄模的翼板和腹板的交叉點得到的間隙(clearance)，需牢記的是，應該避免鑄嘴與鑄模壁之間的接觸，以免經固化的金屬橋樑(metal bridges)將形成在鑄嘴與冷卻的鑄模壁之間。這影響了可由周壁尺寸受到限制的這種鑄嘴所達到的流量，因而也限制了軸向孔及前吐出孔的尺寸。JPH09122855提出一對具有三角形橫截面形狀、帶有圓角的鑄嘴，以便將可在H型鑄模的各翼板與腹板之間的交叉點得到的間隙最佳化。該等鑄嘴只設有端出口(end outlet)，形狀也是三角形，而沒有包含前吐出孔。
填充鑄模的熔體金屬的流體分佈(flow profile)及熱分佈對確保無缺陷樑柱(flawless beams)的生產當然是非常重要的。H型樑柱鑄模內的流體分佈及熱分佈都對這種單一鑄嘴的設計非常敏感，尤其是對前吐出孔的數量、位置、及設計非常敏感。例如，確保及時穩定的鑄模的填充是重要的，其盡可能避免了金屬流股(metal jet)以過度的動量撞擊鑄模壁(這會產生不受控制的紊流且快速侵蝕鑄模，因而減少其使用壽命)。當形成渦流及紊流時，樑柱的冷卻變得更難以控制而出現了缺陷。
本發明的目的在於提供適合填充如H型樑柱、T型樑柱、L型樑柱、C型樑柱、及其類似物的複雜形狀的鑄模的鑄嘴，其可以加強控制進入這種鑄模的金屬流股，形成較順暢的流體分佈及熱分佈，而最終形成缺陷量非常低的金屬樑柱。本發明的這項及其他優點係呈現在下文中。
本發明係定義在隨附的獨立項中。較佳的實施例係定義在附屬項中。尤其是，本發明關於供鑄造鋼鐵用的浸入式鑄嘴，其包含：●入口部，係設於鑄嘴的第一端且包含入口孔；●伸長部，係由外周壁界定且沿著第一縱軸(X1)從該入口部或是與該入口部鄰接，延伸到出口部；●出口部，係設成相鄰且包括鑄嘴的與第一端相對的第二端，該出口部係由外周壁界定且包含在該外周壁開口的第一前吐出孔；及●孔，係與第一縱軸(X1)平行地延伸，在該入口孔開口，且沿著鑄嘴的伸長部且至少有一部分在鑄嘴的出口部延伸，由此至少透過該第一前吐出孔而開放於大氣，該第一前吐出孔係沿著橫切該第一縱軸(X1)的前吐出孔方向(Y1)，從與孔連結的前吐出孔入口延伸到在鑄嘴的出口部的外周壁開口的前吐出孔出口，●其中鑄嘴出口部的沿著與第一方向(X1)垂直的平面的平面切口包含：○鑄嘴的出口部的外周壁的外形，係由壁周緣、和以該壁周緣所界定的區域的壁形心界定；○第一橫軸(Y)，係經過孔形心(50x)且沿著與前吐出孔方向(Y1)在切口的平面上的正交投影平行的方向延伸，其中， ●鑄嘴沒有包含如下的前吐出孔：沿著與第一前吐出孔相對於縱軸的方向相反的方向延伸，且屬於由縱軸(X1)、和前吐出孔方向(Y1)所界定的平面，及其特徵為，在該平面切口中，●在前吐出孔的側上沿著第一橫軸(Y)所測量的從壁形心到外周壁的距離(L1)，係比在與前吐出孔相反的側上所測量的同樣距離(L2)還大；L1>L2。
用詞「開放於大氣」係指開放至圍繞鑄嘴外部的大氣。若鑄嘴前吐出孔係插入鑄模的腔(cavity)，則「大氣」係指由鑄模的圍繞該鑄嘴前吐出孔的腔所界定的空間。在此，「前吐出孔」係用於其一般所接受的吐出孔通道的定義：與軸向孔(axial bore)流體相通，且從軸向孔橫向延伸，且包含至少部分地在鑄嘴周壁開口的出口。它包括有一部分在鑄嘴的第二端開口的數個吐出孔，若它們也在周壁開口，便如第3圖中的下部的前吐出孔。
平面圖或二維形狀的「形心(centroid)」係定義為在形狀中全部的點的算術平均(「average」)位置。換言之，它是剪下該區域的硬紙板可以完美地在鉛筆尖端上保持平衡的點(假設均勻的密度及均勻的重力場)。在幾何學中，二維圖式的用語「重心(barycenter)」係「形心」的同義字，而在物理學中，「重心」和「形心」只對均勻密度的形狀形成單一點。
這種幾何形狀，當鑄嘴係配置於在鑄模的翼板與腹板之間的交叉點時，可使該鑄嘴在如H型樑柱的 複雜形狀的鑄模的腹板方向上更深入地伸入。同時，它提供了前吐出孔通道的伸長，而這提供了比現今可得的、具有同心的孔及周壁的習知鑄嘴還穩定的金屬流及其動量的耗散。
平面切口還包含：孔的外形，係由孔周緣、和由以該孔周緣所界定的區域的孔形心界定。孔形心較佳為位於離外周壁一段距離處，該距離係在前吐出孔的側上沿著第一橫軸(Y)所測量者且大於或等於L1。
為了進一步提升鑄嘴伸入鑄模的腹板部的程度，較佳為在前吐出孔(35)的側上、在離壁形心(1x)的距離L/2處沿著與軸(Y)垂直的方向所測量的鑄嘴的從壁到壁的距離(H1)，係比在與前吐出孔(35)相反的側上、在離壁形心(1x)的距離L/2處在相同方向上所測量的尺寸(H2)還小；H1<H2。實際上，壁周緣較佳為在壁周緣的整個長度上具有正曲率的蛋形，或者是，較佳為具有局部地改變符號的曲率的梨形。鑄嘴可以貫穿伸長部和出口部(1B、1C)的整個長度地具有稜柱幾何形狀(prismatic geometry)，使得在鑄嘴的整個長度上L1>L2。或者是，L1可以在鑄嘴的除了出口部以外的上游部中大致等於L2，且外周壁在鑄嘴的包括出口部在內的下游部改變幾何形狀，使得L1>L2。依鑄嘴的設計而定，後者的實施形態可以有助於減少耐火材料所需的量。
較佳為出口部還包含在鑄嘴的第二端開口的端出口。更佳為出口部還包含至少一個輔助前吐出孔(secondary front port)，其橫切縱軸(X1)和前吐出孔軸兩 者、從孔延伸到出口部的周壁。更佳為設置至少兩個這種輔助前吐出孔，而和第一前吐出孔形成Y形(Y-shape)。當出口部還包含沿著被包含在由縱軸(X1)、和前吐出孔軸所界定的半平面(half-plane)內的軸延伸的第二前吐出孔時，得到金屬流股動量(metal flow momentum)的較佳的耗散。這種第二前吐出孔係設於第一前吐出孔的上面或下面。
第一前吐出孔可以與縱軸(X1)垂直地或朝下地延伸。換言之，前吐出孔出口的形心，離鑄嘴第二端的距離能夠是與前吐出孔入口的形心相同的，或是比前吐出孔入口的形心還靠近鑄嘴第二端。
本發明也關於供鑄造金屬樑柱用的鑄造裝置，其包含：(a)冶金容器，係設有如以上所定義的至少一個浸入式鑄嘴，該浸入式鑄嘴的入口孔係與冶金容器的內部流體相通；且其中孔具有第一前吐出孔，其從該冶金容器延伸出而伸入；(b)樑柱坯鑄模，係界定橫截面，該橫截面被劃分成沿著第一鑄模方向延伸的至少第一伸長部、和沿著橫切第一鑄模方向的第二鑄模方向延伸的至少第二伸長部，其特徵為，該第一鑄模方向係包含在由第一縱軸(X1)和前吐出孔方向(Y1)所界定的平面之內，且較佳為與第一縱軸X1垂直。
在本發明的鑄造裝置中的樑柱坯鑄模可以具有T橫截面、L橫截面、X橫截面、C橫截面、或H橫截面。樑柱坯鑄模較佳為具有H橫截面，該H橫截面帶有由第一伸長部所界定的H的腹板、和由第二伸長部及第三伸長部所界定的兩個側面翼板，兩者皆與第二伸長部垂直，且其中該浸入式鑄嘴係配置在H型樑柱橫截面的翼板與腹板交叉的區域。本發明的鑄造裝置較佳為每個樑柱坯鑄模包含單一浸入式鑄嘴。
X1‧‧‧第一縱軸、縱軸
Y‧‧‧第一橫軸
Y1‧‧‧前吐出孔方向
L1‧‧‧在前吐出孔的側上沿著第一橫軸所測量的從壁形心到外周壁的距離
L2‧‧‧在與前吐出孔相反的側上沿著第一橫軸所測量的從壁形心到外周壁的距離
LINV‧‧‧根據本發明的鑄嘴中的第一前吐出孔的長度
LPA‧‧‧習知同軸鑄嘴中的第一前吐出孔的長度
δ‧‧‧間隙
1‧‧‧鑄嘴
1A‧‧‧入口部
1B‧‧‧伸長部
1C‧‧‧出口部
1P‧‧‧壁周緣
1x‧‧‧壁形心
10‧‧‧餵槽
10a‧‧‧底部
10、11‧‧‧冶金容器
11‧‧‧盛桶
18‧‧‧入口孔
35‧‧‧前吐出孔
35i‧‧‧前吐出孔入口
35o‧‧‧前吐出孔出口
36‧‧‧第二前吐出孔
37‧‧‧端出口
39a、39b‧‧‧輔助前吐出孔
50‧‧‧孔
50P‧‧‧孔周緣
50x‧‧‧孔形心
100‧‧‧樑坯鑄模、鑄模
100f‧‧‧翼板
100w‧‧‧腹板
100f-out‧‧‧外壁
111‧‧‧鑄嘴系統
為了充分瞭解本發明的本質，參照以下詳細的敘述和隨附的圖式，其中第1圖呈現供鑄造金屬樑柱用的鑄造裝置的概視圖。
第2圖顯示被插入H型鑄模的根據本發明的鑄嘴的範例。
第3圖顯示根據本發明的鑄嘴的實施例。
第4圖顯示根據本發明的鑄嘴的鑄嘴部的橫截面圖。
第5圖(a)顯示根據先前技術的鑄嘴的出口部的實施例，而(b)~(g)顯示根據本發明的鑄嘴的出口部的實施例。
第6圖比較先前技術的鑄嘴的前吐出孔長度和根據本發明的鑄嘴。
第7圖說明如何利用實驗決定壁形心的位置。
如第3圖所示，能將根據本發明的鑄嘴劃分成三個主要部分：●入口部(1A)，係設於鑄嘴的第一端且包含入口孔(18)；●伸長部(1B)，係由外周壁界定且沿著第一縱軸X1從該入口部(1A)或是與該入口部鄰接，延伸到出口部；及●出口部(1C)，係設成與伸長部鄰接且包括鑄嘴的與第一端相對的第二端，該出口部係由外周壁界定且包含在該外周壁開口的第一出口前吐出孔(35)。
鑄嘴還包含：孔(50)，係與第一縱軸(X1)平行地延伸，在該入口孔(18)開口，且沿著鑄嘴的伸長部(1B)且至少有一部分在鑄嘴的出口部(1C)延伸，由此至少透過該第一前吐出孔(35)而開放於大氣，該第一前吐出孔係沿著橫切該第一縱軸(X1)的前吐出孔方向(Y1)，從與孔(50)連結的前吐出孔入口(35i)延伸到在鑄嘴的出口部的外周壁開口的前吐出孔出口(35o)。
因為根據本發明的鑄嘴特別適合於每個鑄模使用單一鑄嘴鑄造如H型樑柱的複雜形狀，其設成相對於鑄模的與腹板垂直的對稱平面偏移，通常設在鑄模(100)的翼板(100f)與腹板(100w)的交叉點，因此金屬不應該相對於經過縱軸X1的垂直平面對稱地從鑄嘴前吐出孔流出。尤其是，第一前吐出孔(35)係設計成當使用時在與鑄模腹板(mould web)平行的方向上延伸，且使其定位成遠離該鑄嘴所在的、翼板與腹板的交叉點。因為 鑄模翼板的外壁(100f-out)的附近位於鑄嘴前吐出孔(35)「後面」(參照第6圖(d)及(e))，因此根據本發明的鑄嘴沒有包含如下的前吐出孔：沿著與第一前吐出孔(35)相對於縱軸的方向相反的方向延伸，且屬於由縱軸(X1)、和前吐出孔方向Y1所界定的平面。
在沿著與第一方向(X1)垂直的平面、經過前吐出孔入口(35i)之鑄嘴出口部(1C)的平面切口中，能辨識下述特徵：○鑄嘴的出口部(1C)的外周壁的外形，係由壁周緣(1P)、和以該壁周緣所界定的區域的壁形心(1x)界定；○第一橫軸(Y)係經過孔形心(50x)且沿著與前吐出孔方向(Y1)在切口的平面上的正交投影平行的方向延伸。
基本上，在前吐出孔(35)的側上沿著第一橫軸(Y)所測量的從壁形心(1x)到外周壁的距離(L1)，係比在與前吐出孔(35)相反的側上所測量的同樣距離(L2)還大；L1>L2。L1較佳為比L2大至少5%，更佳為比L2大至少10%，最佳為比L2大至少20%或甚至是至少40%，其中百分比係以(L1-L2)/L2×100來計算。此幾何形狀意味鑄嘴在前吐出孔(35)的方向上的橫截面形狀的細化(thinning)，使得其能更適合進入由在第一和第二伸長鑄模部之間的交叉點所界定的稍微受限的區域，該第一和第二伸長鑄模部界定具有例如H、L、T橫截面或其類似者的樑柱輪廓。鑄嘴橫截面在第一前鑄嘴的水平的 「細化」也能藉由以下方式來表示：定義在前吐出孔(35)的側上、在離壁形心(1x)的距離L2/2處沿著與軸(Y)垂直的方向所測量之鑄嘴的從壁到壁的距離(H1)，其必須比在與前吐出孔(35)相反的側上、在離壁形心(1x)的距離L2/2處在相同方向上所測量之壁到壁的距離(H2)還小；H1<H2。第4圖顯示在根據本發明的兩個實施例的鑄嘴橫截面中的尺寸(L1)H1和L2、H2，(a)蛋形橫截面和(b)梨形橫截面。
在蛋形橫截面中，壁周緣的曲率在周緣的整個長度上是正的，其特徵為凸形。在本發明中所指的蛋形橫截面包含「胖」端(“fat”end)和「瘦」端(“lean”end)而不應該和具有兩個相同的端且不落入本發明的範圍的橢圓形橫截面混淆。的確，橢圓形的形心係位於在其長軸(major diameter)和短軸之間的交叉點，以至於在橢圓形中L1=L2且H1=H2。根據本發明的鑄嘴的壁周緣包含最多一個對稱軸，而決不是如橢圓形的情況為兩個對稱軸。具有凸形橫截面周緣的根據本發明的鑄嘴的橫截面形狀不限於蛋形且可以沒有任何對稱軸。然而，較佳為相對於第一橫軸(Y)對稱的蛋形或卵形(oval-shape，源自拉丁文的「ovum」)。
或者是，壁周緣可以包含凸部和凹部，後者的特徵在於負曲率。此類型的較佳實施例係如第4圖(b)、第5圖(c)、及第6圖(a)、(d)、(e)所示的類型，相對於與第一橫軸Y對稱的梨形橫截面。梨子的形狀的特徵為「胖」凸端與「瘦」凸端間隔著凹部。如第6圖(d) 所示，梨形橫截面非常適合於H型樑柱鑄模的翼板與腹板之間的交叉區。第6圖(e)顯示梨形外周壁的些許變形，其中用直線連結不同直徑的兩個相對的圓形節段。前吐出孔在直徑較小的圓形節段開口。
壁周緣顯然可以包含直段(straight section)，其只是具有無限大的半徑及零曲率的凸形彎曲或凹形彎曲的特殊實施例。這種橫截面形狀的範例係圖示於第5圖(e)，其看起來像瘦蛋或胖梨。
如第6圖(d)所示，設置特徵為L1>L2的鑄嘴，相較於具有相等的L1和L2的習知的鑄模，可使第一前吐出孔(35)更深入地伸入於如H型樑柱坯鑄模的腹板，同時維持在鑄嘴與鑄模壁之間的相同間隙δ。第6圖(e)顯示外周壁的另一個實施例，其提供了在鑄模壁和鑄嘴周壁之間增大的間隙。
周壁的特徵可以是只在外部(1C)為L1>L2，或其可以在鑄嘴的一部分或整個長度上延伸。在前者的情況下，在鑄嘴的從外部(1C)起的上游部分L1可以等於L2(用語「上游」及「下游」係指當使用時通過鑄嘴的流動方向，該流動從鑄嘴入口(18)開始而在前吐出孔入口(35o)結束。鑄嘴的伸長部(1B)的任何長度的特徵可以是L1>L2而沒有脫離本發明的範圍，只要鑄嘴的插入鑄模的部分能配合對應的空間。
因為L1和L2係相對於壁形心(1x)測量，因此正確地定義該形心是重要的。如上所述，在此，區域的「形心」(1x)係用於其習知的幾何定義：在區域中全 部的點的算術平均(「average」)位置，其相當於具有同質密度的區域的重心(即，忽略耐火物質密度比孔密度還高)。對如具有兩個對稱軸的圓形或橢圓形的簡單圖形而言，形心的位置容易決定。然而，對如根據本發明的鑄嘴的壁周緣的情況的、具有一個對稱軸或沒有對稱軸的不規則的幾何形狀而言，無法直接利用幾何學計算或決定形心的位置。第7圖說明如何利用實驗決定任何二維形狀的形心位置。周壁的外形係從硬紙板剪下。孔位置不應該從代表周壁的形狀的硬紙板剪下，以確保疊層(lamina)的均勻密度。在第7圖中，呈現在第4圖(b)及第6圖(d)中已述的鑄嘴的周壁的外形、和由虛圓圈(dashed circle)所指出的圓形孔的位置(雖然沒有剪下)。然後，以能自由地繞著銷(pin)旋轉的方式，以被插在接近疊層周緣的第一點的銷(=白圓圈)支撐厚紙板疊層(cardboard lamina)；及鉛垂線從銷落下(參照第7圖(a))。將鉛垂線的位置標記在物體上(參照第7圖(b)中的虛線)。在將銷插在疊層的不同點下重複實驗(參照第7圖(b)。兩條線的交叉點係壁形心(1x)(參照第7圖(b)中的黑圓圈)。此實驗性方法可以利用簡單且可靠的方式決定任何表面的形心。
除了外周壁外形和第一橫軸(Y)以外，平面切口還包含：孔(50)的外形，係由孔周緣(50P)和由以該孔周緣所界定的區域的孔形心(50x)界定。孔形心(50x)係位於在前吐出孔(35)的側上沿著第一橫軸(Y)所測量的到外周壁的距離L’1，其較佳為大於或等於L1(L’1≧L1)。 壁形心(1x)和孔形心(50x)可以位於相同的點(即，L’1=L1)，較佳為在第一橫軸Y上。在此情況下，根據本發明的鑄嘴的特徵L1>L2具有第一前吐出孔(35)能比L1=L2的習知鑄嘴中的還長的優點，第一前吐出孔長度LINV甚至能被進一步延長，若在這種切口平面上的孔的形心(50x)係相對於壁形心(1x)偏移，使得第一橫軸(Y)從該孔形心(50x)開始，通過壁形心(1x)而延伸直到它到達壁周緣(1P)(即，L’1>L1)。這顯示在第6圖(a)~(d)，其比較根據本發明的鑄嘴中的第一前吐出孔的長度LINV(參照第6圖(a)~(d)的下半部)和習知「同軸」鑄嘴的長度LPA(參照第6圖(a)~(d)的上半部)。第6圖(a)的橫截面對應於例如第5圖(c)所示的鑄嘴，第6圖(b)的橫截面對應於第5圖(b)和(d)當中任一者所示的鑄嘴，而第6圖(c)的橫截面對應於如例如第5圖(g)所示的孔(50)在鑄嘴的外部(1C)中細化的鑄嘴。根據本發明的鑄嘴的一個獨特優點係能將第一前吐出孔(35)的長度LINV實質地延伸，同時保持與鑄模壁足夠的間隙δ。
延伸第一前吐出孔(35)的長度具有多個優點。第一，產生了從第一前鑄嘴流出實質上較穩定的金屬熔體流，以相對長的距離沿著鑄模腹板段(mould web section)噴出而產生實質上比較短的前吐出孔還少的紊流。第二，如第6圖(d)所示，根據本發明的鑄嘴的前吐出孔出口(35o)(下半部)係比習知的「同軸」鑄嘴(上半部)更深入地延伸進鑄模腹板段，因而減少了金屬流股要正確地填充鑄模所需涵蓋的距離。第三，較長的前吐出孔 (35)減少金屬流的動量，因而減少了流股對鑄模翼板的與鑄嘴相對的外翼板壁(100f-out)的衝擊力。這是重要的，因為衝擊的流股會產生紊流且快速侵蝕鑄模的翼板外壁。有限元素模擬(FEM)顯示鑄模內的高的彎月面下流速(sub-meniscus velocity)增加了鑄模液位波動、和在與鑄嘴相對的腹板和翼板之間的圓弧(radii)位置發生流體分離(flow detachment)的風險。利用根據本發明的鑄嘴得到最低的彎月面下流速，因為沿著較長的第一前吐出孔(35)加強了動量耗散。
前吐出孔方向(Y1)(沿著它延伸第一前吐出孔(35))可以與第一縱軸X1垂直。這將相當於如第5圖(d)所示的水平的前吐出孔(35)，其中用語「水平的」係相對於使用中的鑄嘴的位置使用。或者是，前吐出孔方向(Y1)可以橫切第一縱軸X1而不是與第一縱軸X1垂直。尤其是，第一前吐出孔(35)可以朝下延伸(相對於使用中的鑄嘴的位置)，使得前吐出孔出口(35o)的形心比前吐出孔入口(35i)更靠近鑄嘴第二端。若第一前吐出孔(35)係傾斜的(即，若前吐出孔方向(Y1)不是與縱軸X1垂直)，則前吐出孔出口(35o)可能會脫離切口平面。這是例如第5圖(b)、(c)、(e)~(g)的情況，其中為了清楚起見，切口B-B係製作在兩個平行的平面上，以便顯示第一前吐出孔(35)從入口(35i)到出口(35o)的整個距離。
為了適當地填充複雜形狀的鑄模，單一前吐出孔可能是不足的。為此，根據本發明的鑄嘴還可以包含在鑄嘴的第二端開口的端出口(37)(參照第3圖及第5 圖(b)、(c)和(f))。端出口(37)係利用與縱向孔流體相通的通道來形成，且只在鑄嘴的第二端開口。若通道開口有一部分在第二端延伸且有一部分在鑄嘴的周壁延伸，則它被稱為前吐出孔(參照例如第3圖)。它也可以包含至少一個輔助前吐出孔(39a、39b)，該輔助前吐出孔(39a、39b)係橫切於縱軸(X1)及前吐出孔方向(Y1)而從孔(50)延伸至出口部(1C)的周壁。對如第1及2圖所示的H型鑄模，鑄嘴較佳為包含和第一前吐出孔(35)形成在孔上居中的Y形的兩個輔助前吐出孔(39a、39b)，使得鄰接鑄嘴的翼板可以如第3圖及第5圖(f)所示填充有金屬熔體液。
另外，流動動量的耗散和經加強的流穩定性可以藉由提供具有沿著被包含在半平面內的軸延伸的第二前吐出孔36的鑄嘴來得到，該半平面係由第一縱軸(X1)和第一橫軸Y界定。換言之，如第5圖(c)所示，能將第二前吐出孔(36)設於第一前吐出孔的上面或下面(在此，用語「上面」及「下面」係用於相對於使用中的鑄嘴位置)。第二前吐出孔(36)能夠與第一前吐出孔(35)平行或不與第一前吐出孔(35)平行。在本發明的變形例中，第一和第二前吐出孔(35、36)可以藉由如第3圖所示的較細的通道予以連接，對前吐出孔出口賦予狗骨頭狀。
根據本發明的鑄嘴，在用於如第1圖所示的供鑄造金屬樑柱用的裝置上具有優勢且包含： (a)冶金容器(10、11)，係設有根據本發明的至少一個浸入式鑄嘴(1)，其入口孔(18)係與冶金容器的內部液體相通，且其中帶有第一前吐出孔(35)的孔(50)從該冶金容器延伸出且部分地伸入；(b)樑柱坯鑄模(100)，係界定橫截面，該橫截面被劃分成沿著第一鑄模方向延伸的至少第一伸長部、和沿著橫切第一鑄模方向的第二鑄模方向延伸的至少第二伸長部，其中，該第一鑄模方向係包含在由第一縱軸(X1)和前吐出孔軸(Y1)所界定的平面內，且較佳為與第一縱軸X1垂直。
樑柱坯鑄模能具有T、L、X、C、H或類似的橫截面。在為H或C橫截面的情況下，H或C的腹板係由第一伸長部界定，且H或C的兩個側面翼板係由第二伸長部及第三伸長部界定，兩者都大致與第一伸長部垂直。對各個鑄模而言，一個單一的這種浸入式鑄嘴是足夠的且較佳為配置在H或C型樑柱橫截面的腹板和翼板交叉的區域。同樣地，在T、L、或X橫截面的情況下，單一鑄嘴能夠用於各個鑄模，且較佳為配置於在鑄模的第一與第二伸長部之間的交叉區域。
根據本發明的鑄嘴，利用第一前吐出孔(35)的長度LINV比現今可得者還長，可使從鑄嘴流出並流入供生產樑柱及其類似物用的複雜形狀的鑄模的金屬流股獲得較佳的控制。這有以下的優點：加強流動動量的耗散、以及瀉出的金屬流股的較高穩定性及較低速度。這 輪流地防止在複雜形狀的鑄模的圓弧發生流體擾動(flow disruption)、以及減少渦流和死區(dead zone)的形成(這些都是在鑄造樑柱中造成許多缺陷的因素)。根據本發明的鑄嘴，也可以增加在出口部的外周壁與鑄模壁之間的間隙，因而減少在鑄嘴與鑄模壁之間形成經固化的金屬橋樑的風險。
δ‧‧‧間隙
100‧‧‧樑柱坯鑄模、鑄模
100f‧‧‧翼板
100w‧‧‧腹板
100f-out‧‧‧外壁

Claims (15)

  1. 一種浸入式鑄嘴(1)，係用於鑄造鋼鐵，包含：●入口部(1A)，係設於該鑄嘴的第一端且包含入口孔(18)；●伸長部(1B)，係由外周壁界定且沿著第一縱軸(X1)從該入口部(1A)或是與該入口部(1A)鄰接；●出口部(1C)，係設成相鄰且包括該鑄嘴的與該第一端相對的第二端，該出口部係由外周壁界定且包含在該外周壁開口的第一前吐出孔(35)；及●孔(50)，係與該第一縱軸(X1)平行地延伸，在該入口孔(18)開口，且沿著該鑄嘴的該伸長部(1B)且至少有一部分在該鑄嘴的該出口部(1C)延伸，由此至少透過該第一前吐出孔(35)而開放於大氣，該第一前吐出孔(35)係沿著橫切該第一縱軸(X1)的前吐出孔方向(Y1)，從與該孔(50)連結的前吐出孔入口(35i)延伸到在該鑄嘴的該出口部的該外周壁開口的前吐出孔出口(35o)，●其中該鑄嘴出口部(1C)的沿著與該第一方向(X1)垂直的平面的平面切口(planar cut)包含：○該鑄嘴的該出口部(1C)的該外周壁的外形(outline)，係由壁周緣(1P)、和以該壁周緣所界定的區域的壁形心(1x)界定；○第一橫軸Y，係經過孔形心(50x)且沿著與該前吐出孔方向(Y1)在該切口的平面上的正交投影平行的方向延伸， 其特徵為，●該鑄嘴沒有包含如下的前吐出孔：沿著與該第一前吐出孔(35)相對於該縱軸的方向相反的方向延伸，且屬於由該縱軸(X1)、和該前吐出孔方向(Y1)所界定的平面，及在該平面切口中，●在該前吐出孔(35)的側上沿著該第一橫軸(Y)所測量的從該壁形心(1x)到該外周壁的距離(L1)，係比在與該前吐出孔(35)相反的側上所測量的同樣距離(L2)還大；L1>L2。
  2. 如請求項1的浸入式鑄嘴(1)，其中在該前吐出孔(35)的側上在離該壁形心(1x)的距離L2/2處沿著與該軸(Y)垂直的方向所測量的該鑄嘴的從壁到壁的距離(H1)，係比在與該前吐出孔(35)相反的側上在離該壁形心(1x)的距離L2/2處在相同方向上所測量的尺寸(H2)還小；H1<H2。
  3. 如請求項1或2的浸入式鑄嘴(1)，其中該壁周緣(1P)的曲率係在該壁周緣的整個長度上為正的，且該壁周緣較佳為蛋形。
  4. 如請求項1或2的浸入式鑄嘴(1)，其中該壁周緣(1P)的曲率係局部地改變符號，且該壁周緣較佳為梨形。
  5. 如請求項1至4中任一項的浸入式鑄嘴，其中L1係在該鑄嘴的除了該出口部(1C)以外的上游部中大致等於L2。
  6. 如請求項1至5中任一項的浸入式鑄嘴，其中(L1-L2)/L2×100係至少5%，較佳為至少10%，更佳為至少20%，且最佳為至少40%。
  7. 如請求項1至6中任一項的浸入式鑄嘴，其中該平面切口還包含：該孔(50)的外形，係由該孔周緣(50P)和由以該孔周緣所界定的區域的該孔形心(50x)界定，且其中該孔形心(50x)係位於在該前吐出孔(35)的側上沿著該第一橫軸(Y)所測量的到該外周壁的距離，該距離係大於或等於L1。
  8. 如請求項1至7中任一項的浸入式鑄嘴，其中該出口部(1C)還包含在該鑄嘴的該第二端開口的端出口(37)，該端出口較佳為與該縱軸(X1)平行地延伸。
  9. 如請求項1至8中任一項的浸入式鑄嘴，其中該出口部(1C)還包含：至少一個輔助前吐出孔(39a、39b)，係橫切於由該縱軸(X1)及前吐出孔方向(Y1)所界定的平面而從該孔(50)延伸至該出口部(1C)的該周壁。
  10. 如請求項1至9中任一項的浸入式鑄嘴，其中該出口部(1C)還包含：第二前吐出孔(36)，係在與該第一前吐出孔(35)相對於該第一縱軸(X1)相同的側上、且沿著被包含在由該第一縱軸(X1)和該第一橫軸(Y)所界定的半表面(half-plane)內的軸延伸。
  11. 如請求項1至10中任一項的浸入式鑄嘴，其中該前吐出孔出口(35o)的該形心係在與從該鑄嘴第二端到該前吐出孔入口(35i)的該形心相同的距離，或是比該前吐出孔入口(35i)的該形心更靠近該鑄嘴第二端。
  12. 一種鑄造裝置，係用於鑄造金屬樑柱，包含：(a)冶金容器(10、11)，係設有與第一縱軸(X1)平行地延伸且耦合於該冶金容器的底部(floor)的至少一個 浸入式鑄嘴(1)，該鑄嘴包含孔，該孔具有入口(18)、和在第一前吐出孔(35)的端的至少一個出口(35o)，該第一前吐出孔(35)係橫向地沿著前吐出孔方向(Y1)從該孔(50)延伸到該至少一個出口(35o)，該孔入口(18)係與該冶金容器的內部流體相通；且該孔和至少一個出口(35o)從該冶金容器延伸出而伸入；(b)樑柱坯鑄模(100)，係界定橫截面，該橫截面被劃分成沿著第一鑄模方向延伸的至少第一伸長部、和沿著橫切該第一鑄模方向的第二鑄模方向延伸的至少第二伸長部，其特徵為，該浸入式鑄嘴係請求項1至11中任一項的浸入式鑄嘴，且其特徵為，該第一鑄模方向係包含在由該第一縱軸(X1)和該前吐出孔方向(Y1)所界定的平面之內。
  13. 如請求項12的鑄造裝置，其中該樑柱坯鑄模(100)具有T橫截面、L橫截面、X橫截面、C橫截面、或H橫截面。
  14. 如請求項13的鑄造裝置，其中該樑柱坯鑄模具有H橫截面，該H橫截面帶有由該第一伸長部所界定的H的腹板、和由該第二伸長部及第三伸長部所界定的兩個側面翼板，兩者皆與該第一伸長部垂直，且其中該浸入式鑄嘴係配置在該H型樑柱橫截面的該腹板與翼板交叉的區域。
  15. 如請求項12至14中任一項的鑄造裝置，其中單一浸入式鑄嘴(1)係用於每個樑柱坯鑄模(100)，且該鑄嘴係配置在該第一伸長部和該第二伸長部交叉的區域。
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