TWI294464B - Tapping pipe - Google Patents

Description

1294464 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於一冶金熔融槽之融液出口管（亦 稱融液出爐口）。一冶金熔融槽可視爲係一例如一轉化爐 或一電弧爐之集合體，在該集合體中產生、處理及/或輸 送一冶金溶融體。 【先前技術】 在此例中，一位於該熔融槽中之熔融金屬沿該融液出口 • 管被引導進入一下游集合體。例如，來自該轉化爐之鋼藉 由一熔桶被供應至一下游連績鑄型設備。 該溶融金屬應儘可能地被無污染輸送。例如，當攜帶爐 潰時’應避免與周圍空氣（氧氣、氮氣）接觸。 一來自歐洲專利第〇 057 946 B1號之轉化爐融液出爐裝 置為吾人所熟知，其包括若干沿軸向之耐火墊或耐火盤。 該入口側墊具有一漏斗形通道（亦稱爲通孔），且該融液出 《之通道在該出口侧端具有最小直徑。市售融液出口管 籲如此設計已有2。年並已得到驗證。 位於該出口，側端之幾何結構符合德國專利第42 08 520 C2號之融液出.口管亦已得到驗證。在此情況下，該出口戴 面之冲算係基於對應溶融金屬之一流量剖面，假定該炼融 金屬之兩度之一平均值高出該融液出口管。 對於一轉化爐融液出口管，因爲該轉化爐隨著融液出爐 日守間增加而傾斜（移動），所以在#液出爐過程中該熔融金 屬之高度（浴槽高度）通常幾乎為固定。然而，該浴槽高度 102013.doc 1294464 尤其在將近該融液出爐之結束時會自動減小。因此爐渣將 隨著該熔融金屬被引導進入該融液出口管並通過該融液出 口管，從而風險同時增加。另外，在該融液出口管中可形 成擾流並產生部分真空。再氧化及氮吸收之風險同時增 加0 【發明内容】 本發明係基於最佳化所引述類型之一融液出口管之目 的’其以此一方式最佳化以便在整個融液出爐時間可確保 期望（”恆定”）之質量流量且阻止了攜帶爐渣。"恆定"意謂 著該融液出口管之融液出口通路中之質量流量在該融液出 爐時間結束前儘可能地不中斷。亦儘可能地避免氧或氮之 吸收。最終，該融液出口管將以此一方式設計，以便該最 可能均勻之質量流量可沿該融液出口管被輸送，而與其磨 損無關（在可接受之技術限度内）。 根據德國專利第42 08 520 C2號，一熔融金屬之流量剖 面可藉由以下公式來計算： A(x)=m/(p*(2gx)1/2) 其中： A(x)=在距離浴槽液面x處所需之流動截面 m=該熔融金屬（該熔融體）之質量流量 g=重力加速度=9.81 m/s2 x=距該浴槽液面選定之距離 Ρ=該熔融金屬（溶融體）之密度 在此情況下，僅考慮該截面變化作爲高度降低之一函 102013.doc 1294464 數’該高度降低係由該溶融金屬流之加速度所導致。爲了 確保該等計算之明確性及可理解性，在此處及在此説明中 所列的進一步之計算中，諸如該熔融金屬之黏度或該壁摩 擦之影響皆被忽略及/或忽視。 針對一特定熔融金屬，對於該液流通路之一垂直位置、 一預先定義之流量及一預先定義之浴槽液面與出口端之間 之距離，從而可精確計算出位於該出口端之液流通路所需 之直徑。這將藉由一實例為基礎進行説明： • m=700 kg/s x=2.7 m p=7200 kg/m3(對於鋼） Α(χ=2·7&Α)=700/7200*(2*9·81*2·7)1/2=0β0133 5 ηι2 從A=d2*n/4，對於一在出口處具有一圓形截面之龍頭， 該出口直徑經計算為： d=(A*4/n)1/2 ά=[(0.01335*4)/Π]ι/2=0.1304 m ’然而，對於該出口端該融液出口通路處之一預先定義直 徑’該流量與導致之流量剖面之一決定性態樣為特定之浴 槽高度（該熔融金屬高出該融液出口管之出口端之高度 對3 同之浴槽高度，該融液出口管之液流通路之圓形截 ' /面所需，半j徑作爲距該出口端之距離之函數之一實例繪製於 (圖1中’/Π〇·’定義該融液出口管之出口端，1·3 5公尺為該（新 幕^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^^ ^ ^ ^ 度（從該出口端計算）。該熔融金屬浴槽高出該龍頭入口端 102013.doc 1294464 之有效最大高度相應机35公尺。基於使用—預先定義之 流量，該圖示曲線顯示從該出口端半徑=65毫米處開始、 距該出口端不同距離處、針對該最大浴槽高度(=27〇〇毫 米）之該融液出口通路（該融液出口管中之液流通路）之所需 最小半徑理論值。假設在該出口端處有相同之截面(半徑 65毫米）’則其餘曲線顯示針對不同浴槽高度距出口端不 同距離處之該融液出口通路之所需最小半徑理論值。 顯然，在該融液出口管之入口區域内27〇〇毫米與Μ⑻毫 米之間之一浴槽高度處，爲了用該熔融金屬流在具有一 Μ 毫米之半徑之出口端處完全填滿該融液出口管之一圓形截 面，一80毫米之半徑對於該液流通路之截面係足夠的。 然而，如果該浴槽液面進一步下降至一亦被顯示之例如 1600毫米之最小浴槽高度（該熔融金屬浴槽高出該龍頭入 口之有效高度·· 250毫米），在該出口端處該融液出口管之 相同截面的情況下，對於該融液出口管之入口區域中該液 流通路之截面之所需半徑得出一大約11〇毫米之值。 在德國專利第42 08 520 C2號中為設計該融液出爐幾何 結構僅考慮30%至70%之浴槽液面範圍。 對於上述考慮一 30%之最小浴槽液面及一 750毫米之磨 損龍頭（融液出爐裝置）之長度，由德國專利第42 08 520 C2號得出一 75毫米之入口直徑。藉此可得出結論，德國專 利第42 08 520 C2號之教示導致之融液出口管於其入口端 之通道太小。 相反，本發明導致完全不同之融液出口管之通道之幾何 102013.doc 1294464 結構。 藉由考慮低浴槽高度（該熔融金屬高出該融液出口管之 入口區域之有效高度：〈該最大值之30%)，於該入口端

處所需之截面變得更大且顯著偏離按照德國專利第U 520 出之該截面。 ,*· ‘： 在圖2中’/曲線（丨）再次顯示在一 16〇〇毫米之浴槽高度及 ’65毫米之出口截面之半徑處該出口通路在縱剖面中所需 輪廓（所需最小半徑理論值曲線（2)顯示根據先前技術之 融液出口管中流動條件（該入口截面之半徑：80毫米）。 在先前技術中，由於該入口截面相對於根據本發明所需之 入口截面來説太小（半徑=11〇毫米），導致該融液出口管中 抓體之一更強束縮。如果該流體自由形成，則這僅相應於 在該出口端處50毫米之截面積之半徑。因此，不再可能在 ^ 截面下方之區域中填滿該融液出口通路之整個截面 並將其用於溶融體之放出。結果係在該融液出口管中產生 上述擾流並產生部分真空，伴隨著於該熔融金屬上漂浮之 爐〉查被攜帶之風險。同時，沿該管路出現之擾流導致該體 積飢量之（進一步）減小並因此使該融液出爐時間變得比必 須之時間更長。這導致該炼融金屬之溫度降低。如此使得 有必要在以下處理步驟中再次加熱該溶融金屬達到期望之 溫度值，這造成額外的能量消耗。 、 根據本發明，藉由該融液出口通路之設計實現在該融液 出口通路中避免擾流並保持一緊密流體，在該融液出口通 路汉计中’該整個融液出口通路在整個融液出爐時間中由 102013.doc 1294464 溶融金屬完全充滿’即，即使在低浴槽高度（該浴槽液面 局出該融液出口管之入口端之有效高度··小於最大高度之 30%)亦如此。 【實施方式】 在其最常見之具體實施例中，本發明包括一用於一冶金 溶融槽之融液出口管，其軸向延伸之通道在該出口端與該 入口端之間具有一有如下關係式之通路截面A(y): A(y)=A* ^i + hk)/(hT+hk.y) • 其中： 於該出口端處之截面積[m2] 該熔融金屬浴槽高出該入口端之有效高度卜在該 融液出口通路之軸向延伸上 hk=入口端與出口端之間之該融液出口管之長度 y=該出口端與沿該融液出口管之一點之間之軸向距離 [m](0<y<(h1+hk)) hi可小於或等於該溶融槽中溶融金屬沿該融液出口管 之軸向延伸之最大高度（hmax)之〇·3倍。該可變因數 (hi/hmax)考慮了不同流動行為，尤其在低浴槽高度處之流 動行為。從該因數Υ〇·3"得出在此情況下記錄之一狀態， 其中該溶融金屬液面高出該融液出口管之入口端之有效高 度小於處於最大浴槽高度處該熔融金屬液面之有效高度至 少 70%〇 ’’hk”指示在入口端與出口端之間該融液出口管之特定長 度。儘管該融液出口管之出口端自動地為其下自由端並在 102013.doc • 11 - 1294464 整個時間段内保持不變，該入口端之位置隨著該融液出口 管之使用持續時間而改變。該入口端上耐火材料之磨損係 造成此之原因。如定義，該入口端對應於該冶金熔融槽之 一耐火襯層之鄰近耐火材料之高度。該融液出口管之長度 因此隨著侵姓的增加而縮短。 最終”y”確定該出口端與沿該融液出口管之一點之間之 軸向距離。對於該出口端，y=〇 ,以便藉由前述公式得出 以下結果：

A(y = 〇) = A 作爲一圓形融液出爐截面之一特例，對於出口端與入口 端之間之融液出爐截面之直徑d(y；>，得出以下關係式： d(y)=d*4 V((hi + hk)/(hi + hk-y) 其中： 該出口端處之直徑， he該熔融槽中熔融金屬在該融液出口管軸向延伸上高 出融液出爐入口之該最大高度（hmax)之〇31^仏或更小， hk=入口端與出口端之間之該融液出口管之長度， y-該出口端與沿該融液出口管之一點之間之轴向距離。 在此情況下，”d”描述具有一預先定義期望流量之該出 口端處之直徑。該期望體積流量越高，則該直徑，，d，，越 大。 以下根據本發明之教示將藉由不同示範性具體實施例進 行解釋。該融液出口管之長度（hk)假設為135公尺，該浴 槽液面之高度（hl)_自該管之入口端-假設為〇25公尺（=135 102013.doc • 12 - 1294464 公尺之該熔融金屬浴槽高出該融液出爐入口之最大高度之 18.5%)。爲了確保一期望體積流量"χ"，該出口端處之直 徑”d”被固定在〇13公尺。 使用上述公式，該入口處之通道之内徑可如下進行計 算： d(y)=0.13 *4 7((0.25 + 1.35)/(0.25 + 1.35-1.35))=0.21 m 在一距離該出口端丨公尺之距離處，得出該通道之以下 直徑值： # ^)=0.13^7^0.25 + 1.35)/(0.25 + 1.35-1.0)) = 0]7 m 同時在該出口處·正如所記錄的-d(y)=d，即〇·13 m。 使用一 2·0公尺之管長作為基準（使用另外諸如出口截 面、出口直徑、該浴槽液面高出該入口端之有效高度之未 變構架數據），該入口端處所需之直徑結果為〇·23公尺，距 離該出口 1公尺之一距離處所需直徑結果為〇15公尺，同 時該出口端處所需直徑保持不變，為〇·13公尺。 可藉此推論，隨著該融液出口管長度之增加，該入口端 •所需開口寬度變大。 或者’如果對一管長1.35公尺及該出口端之一直徑為 0.13公尺、具有一該溶融金屬液面高出該入口端公尺 (相當於該最大浴槽高度之大約30%)之有效高度進行以上 計算，則於該入口區域處該液流通路之直徑計算結果為 〇·19公尺，且距離該出口端1公尺高度處之直徑計算結果 為0.16公尺。 根據一具體實施例，該因數（hi/hmax)假設為>〇·〇5及/或 102013.doc -13· 1294464 <〇.3(hmax為該熔融槽中熔融金屬在該融液出口管之軸向延 伸上高出融液出口管之入口區域之最大高度）。根據一進 一步之具體實施例，該值在^丨且/或⑼』之間。 請注意，該入口側部分中該融液出口管之尺寸確定最爲 重要。在此情況下，首先該浴槽液面低有效高度（< 該浴槽 液面咼出該入口端之最大有效高度之3〇%)之比率係決定性 的。該出口側端處之橫截面幾何結構主要藉由該體積流量 (該最大浴槽高度處質量流量）之預設值確定。 根據一具體實施例，該液流通路之截面計算因此涉及該 融液出口管之總長值"y”>50%。根據另一具體實施例，該 等值增加至範圍>70%。這意謂著本質上該管之總長5〇%或 1/3將根據本發明進行設計（從該入口端開始）。 這部分可被設計成連績變細圓錐形；如果必要的話，至 該出口側端之方向上所需之錐度亦可以階梯來形成。採用 以多邊形設計形式（參見圖3至5)或拱形部分之該液流通路 之最佳幾何結避可能的（縱向截面所視）。除根據本發 明計算之/該^想幾何結巧外，技術上另外採用之階梯壁通 路亦顯^於圖3-5中，,y同樣實現期望之效果並更容易製 造0 \〆〆， 一一〆:// 特別拖，該融液出口管之下出口側半部可遵循該（上）入 口侧部分之錐度；然而，亦有可能使用較小錐度（斜率）來 實現此部分，直至該液流通路之一圓柱外形。這尤其可應 用於該出口側處融液出口管之長度之最後10〇/〇至20%。 關於該液流通路之斜率，本發明根據一具體實施例（圓 102013.doc -14- 1294464 形通路截面與該内部輪廓至該通路軸之對稱實現）提供藉 此方法設計該壁區域之教示，即該液流通路（縱向截面内） 之内部輪廓之該（等）斜率（s)採用以下關係式： s=r/4*4V〇[hi + hk)/(hi + hk-y)5) 其中r=該出口端處該通路截面之半徑。 在此情況下’該斜率S描述了該融液出口通路之一圓形 截面之半徑r(>〇之變化，其作爲至該龍頭之出口端之距離y之 一函數〇 例如，對於不同有效浴槽高度、對於在距該融液出口管 之出口端不同距離處之最小所需斜率S，從而得出列於下 表中之該等值。 對於： hk-l.35 m hmax=1.35 m r=0,065 m 有效浴 槽高度 0.3* hmax= 0.405 m 0.2* hmax= 0.27 m 0.1*hmax= 0.135 m 距出口 端距離 0.5*hk= 0.675 m 0.7^= 0.945 m 0.5*hk= 0.675 m 0.7*hk= 0.945 m 0.5*hk= 0.675 m 0.7*hk-0.945 m s 0.017 0.0243 0.0197 0.03 0.0233 0.0388

其中： hk==2.〇 m hmax=1.35 m r=0.065 m 102013.doc -15- 1294464 有效浴 槽高度 〇-3*hmax = 0.405 m 0.2* hmax = 0.27 m 〇.l*hmax= 0.135 m 距出口 端距離 0.5*hk =1.0 m 0.7¾ =1.4 m 0.5*hk =1.0 m 0.7*hk =1.4 m 0.5*hk =1.0 m 0.7*hk =1.4 m S 0.0132 0.0201 0.0148 0.0237 0.0168 0.0289 其中： hk=0.75 m(舉例言之，具有磨損之轉化爐襯層減小之融 液出爐長度） hmax- 1 · 9 5 ΙΠ r=0.065 m 有效浴槽 南度 0 3* h = Umax 0.585 m 0.2* hmax= 0.39 m 0.1* hmax= 0.195 m 距出口端 距離 0. 5*hk= 0.375 m 0.7*hk= 0.525 m 0.5* hk = 0.375 m 0.7*hk = 0.525 m 0.5¾ = 0.375 m 0.7*hk = 0.525 m S 0.0184 0.0227 0.0235 0.0308 0.0324 0.0474 該4實例顯示，在該入口側區域（該通路長度之開始三 _ 分之一）中，該斜率S之值將^0.02。在非常低有效浴槽高 度及更短該融液出爐口之長度下，其中S將2〇·〇2之區域延 伸至該融液出口通路之入口側半部。此值S可增加至$ 0.025、^0.05、或 20.25 〇 此應用於至少該融液出口通路之上半部（鄰近該入口端） 及/或上三分之一（鄰近該入口端），但亦可延伸過該融液出 口通路之整個長度。直接於該入口端（在該融液出口管之 總長之〇·〇5之一長度上），該值可為>>〇·25，例如1、5、 102013.doc -16- 1294464 10、30、50、70或100。如果該融液出口通路之壁設計為 完全或部分階梯式的，或如果該設計被用於該等生產設 施，則"斜率"指示一連接直線之斜率，該連接線可在縱向 截面内連續階梯之該等邊緣之間標繪出。 一根據本發明之融液出口管之尺寸確定亦考慮到該融液 出口管之長度變化作爲該鄰近襯層之磨損之函數，原因在 於該融液出爐口長度及其上該熔融體之高度之特定值包括 在該計算中。 如果在理想流動條件下發現該通道之截面沿該軸從該出 口端至該入口端變化，並使此截面變化標準化，則得到以 下方程式： S A(y)/A=J/2 7(hi + hk)/(hi + hk - y)3) 其中： sA(yr該截面於該點y處之變化（單位為m2/m)， A=該融液出口管之出口端處該通道之截面積， h丨=該熔融槽中之熔融金屬在該融液出口管軸向延伸上 高出融液出爐入口之最大高度(h_)之0.3 hmax或更小， hk=該融液出口管入口端與出口端之間之長度， y=該出口端與沿該融液出口管之一 & ^點之間之軸向距離。 進行以下假設：㈣金屬液面高出該融液出口通路之入 口端最多達㈣該最大有效浴槽高度，對於該融液出口通 路之入口侧半部得出以下值： ^ S A(y)/A>y2 7(2.4)/(2.4 -1)3 SA(y)/A > 0.468 [1/m] 102013.doc -17-

Claims (1)

1294464 十、申請專利範圍·· 1· ，其轴向延伸通道 面’其符合以下關 一種用於一冶金熔融槽之融液出D管 在一入口端與一出口端之間具有_截 係式： A(y)=A* V5^hk)/(hi + hk.y) 其中： A=該出口端處該通道之截面積（具 ^ ^ , 有一預先定義之所要 的體積流量），單位為m2 , • hl=該熔融槽中-熔融金屬高出該融液出口管之入口端之 有效高度（在該融液出口通路之軸向延伸上）[m]， hk=該融液出口管之入口端與出口端之間之長度加]， y=該出口端與沿該融液出口管之一點之間之轴向距離 [m](其中 o^yhi+hk))。 2·如請求項1之融液出口管，其中hi>〇〇5 ^^且<〇3 hmax，其中hmax=該熔融槽中該熔融金屬浴槽之最大高度 (在該融液出口管之轴向延伸上）。 籲3·如請求項2之融液出口管， 其中 hi>0.1 limax且 <0.2 hmax。 4·如請求項1之融液出口管， 其中 y>0.5 hk 〇 5 ·如請求項1之融液出口管， 其中 y>0.7 hk 〇 6.如請求項1之融液出口管，其具有一該液流通路之圓形， 截面。 102013.doc 1294464 7.如請求項1之融液出口管，其中鄰近該出口端之一段液 流通路係呈圓柱形。

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