TWI655041B - 鑄嘴及鑄造裝置 - Google Patents
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Abstract
一種用於鑄造鋼鐵之鑄嘴，其包含：入口部；伸長部，係沿著第一縱軸延伸；出口部；及澆鑄孔，具有前吐出孔入口。鑄嘴出口部之垂直於通過前吐出孔入口的第一縱軸的平面切口包含孔的外形、鑄嘴的出口部的外周壁的外形及第一橫軸。在該平面切口中，孔形心及壁形心係不同的，且分開一段距離d≠0；且至少在該第一前吐出孔的水平，該孔改變沿著與該第一縱軸平行且相對於該第一縱軸偏移的第二縱軸延伸的幾何形狀。
Description
本發明涉及供鑄造如H型樑柱及其類似物的金屬樑柱(metal beams)用的鑄嘴。本發明的鑄嘴可使進入鑄模內的金屬流得到較佳的控制，產出缺陷少的金屬樑柱。
在金屬成型工藝中，金屬熔體(metal melt)係從一個冶金容器轉移到另一個冶金容器、模或工具。例如，如第1圖所示，盛桶(11)裝有出自爐子的金屬熔體，並將其轉移至餵槽(tundish)(10)。接著，金屬熔體從餵槽透過鑄嘴(1)澆鑄至鑄模以形成板坯、方坯(billet)、樑柱坯或鑄錠。出自冶金容器的金屬熔體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、及流入鑄模之金屬的熱分佈(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
雜形狀的金屬零部件，如H狀樑柱或類似物。例如，JPH09122855揭露藉由兩個鑄嘴供料的H型樑柱鑄模，該等鑄嘴係位在H型樑柱鑄模的各翼板(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型鑄模的對峙翼板開口。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。這影響由周壁尺寸受到限制的這種鑄嘴所能達到流量，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。
填充鑄模的熔融金屬的流體分佈(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，其可以加強控制穿入這種鑄模的金屬流股，形成較順暢的流體分佈及熱分佈，而最終形成非常低缺陷的金屬樑柱。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，本發明涉及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；
●出口部，係設成相鄰且包括鑄嘴的與第一端對峙的第二端，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；
●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延伸於鑄嘴的出口部，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、通過前吐出孔入口的平面切口包含：○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；○鑄嘴的出口部的外周壁的外形，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，
●伸長部(1B)和出口部兩者的周壁，係在大致鑄嘴的整個長度上繞著縱軸X1居中，且其中至少在第一前吐出孔的水平(level)，孔改變沿著與第一縱軸X1平行且相對於第一縱軸X1偏移的第二縱軸X2、在與第一前吐出孔相反的方向延伸的幾何形狀，
●鑄嘴沒有包含如下的前吐出孔：沿著與第一前吐出孔(35)相對於第一縱軸X1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，
●孔形心(50x)及壁形心(1x)係不同的且分開一段距離d≠0。
●沿著第一橫軸Y從孔形心(50x)延伸到壁周緣(1P)的節段具有長度L1，該長度L1係比從壁形心(1X)延伸到在第一橫軸Y與壁周緣(1P)之間的交叉點的節段的長度L2還長。L1/L2比率較佳為至少等於1.05，更佳為至少1.1，最佳為至少1.25。
這種幾何形狀提供了前吐出孔通道的實質伸長，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耗散。
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」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。
在較佳的實施例中，孔的幾何形狀的改變包含孔至少沿著第一橫軸Y的方向變細。另外，第一及第二縱軸(X1)及X2可以是同軸的。
較佳為出口部更包含在鑄嘴的第二端開口的端出口。更佳為出口部更包含橫切縱軸X1和前吐出孔軸兩者、從孔延伸到出口部的周壁的至少一個輔助前吐出孔(secondary front port)。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)。當出口部更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，金屬流股動量(metal flow momentum)能得到較佳的耗散。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。
本發明也涉及供鑄造金屬樑柱用的鑄造裝置，其包含：(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冶金容器的底面(floor)的至少一個浸入式鑄嘴(1)，該鑄嘴包含：
●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；
●出口部(1C)，係設成相鄰且包括鑄嘴的與第一端對峙的第二端，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)；
●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)，
●其中鑄嘴出口部(1C)的沿著與第一縱軸(X1)垂直的平面、通過前吐出孔入口(35i)的平面切口包含：○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；○鑄嘴的出口部的外周壁的外形，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)且沿著與該前吐出孔方向(Y1)在切口的平面上的正交投影平行的方向延伸，(b)樑柱坯鑄模(beam blank mould)(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，
●孔形心(50x)及壁形心(1x)係不同的且分開一段距離d≠0。
●沿著第一橫軸(Y)從孔形心(50x)延伸到壁周緣(1P)的節段具有長度(L1)，該長度(L1)係比從壁形心(1X)延伸到在第一橫軸(Y)與壁周緣(1P)之間的交叉點的節段的長度(L2)還長，及其特徵為，該第一鑄模方向係包含在包含該第一縱軸(X1)和該前吐出孔方向Y1的平面之內。
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
Y‧‧‧第一橫軸
Y1‧‧‧前吐出孔方向
L1‧‧‧沿著第一橫軸從孔形心延伸到壁周緣的節段的長度
L2‧‧‧從壁形心延伸到在第一橫軸與壁周緣之間的交叉點的節段的長度
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
1Z‧‧‧界限點
10‧‧‧餵槽
10a‧‧‧底板
10、11‧‧‧冶金容器
11‧‧‧盛桶
18‧‧‧入口孔
35‧‧‧第一出口前吐出孔、第一前吐出孔
35i‧‧‧前吐出孔入口端、前吐出孔入口
35o‧‧‧前吐出孔出口端、前吐出孔出口
36‧‧‧第二前吐出孔
37‧‧‧端出口
39、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、鑄模腹板
100‧‧‧f-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圖顯示和根據本發明的其他實施例的鑄嘴比較的先前技術的鑄嘴。
第5圖顯示根據本發明的鑄嘴的出口部的其他實施例。
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及4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；●出口部(1C)，係設成相鄰且包括鑄嘴的與第一端對峙的第二端，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)。
鑄嘴更包含：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用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大致與鑄模腹板(mould web)(100w)平行的方向上延伸，且使其定位成遠離該鑄嘴所在的、翼板(100)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))，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、和前吐出孔軸Y1所界定的平面。
在鑄嘴出口部(1C)的沿著與第一方向X1垂直的平面、經過前吐出孔入口(35i)的平面切口中，能辨識出下述特徵：○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；○鑄嘴的出口部的外周壁的外形，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○沿著第一橫軸Y從孔形心(50x)延伸到壁周緣(1P)的節段係比從壁形心(1X)延伸到在第一橫軸Y與壁周緣(1P)之間的交叉點的節段還長。
基本上，孔形心(50x)及壁形心(1x)係不同的且分開一段距離d≠0。第一前吐出孔(35)在該平面切口上直線地延伸所沿著的方向係由第一橫軸Y界定，其從孔形心(50x)開始且延伸到壁周緣(1P)為止。在較佳的實施例中，孔形心(50x)及壁形心(1x)兩者都屬於第一橫軸。
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4圖(b)~(d)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。
如上所述，在此，區域的「形心」(50x、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)。對如圓
形、橢圓形的簡單圖形而言，形心的位置容易決定。然而，對不規則的幾何形狀而言，無法直接計算形心的位置。第7圖說明如何利用實驗決定任何二維形狀的形心位置。孔或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6圖(d)中已述的鑄嘴的周壁的外形、和由虛線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))。將鉛垂線的位置描繪在物體上(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。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。
在壁與孔形心之間的偏移不需要在鑄嘴的整個長度上延伸。這種偏移足以在第一前吐出孔(35)的水平上存在於外部。結果，孔(50)和界定伸長部(1B)的外周壁可以在大致伸長部(1B)的整個長度上繞著第一縱軸X1成同心，且如第3圖(a)及第4圖(b)~(d)所示，可以只在鑄嘴的下部產生偏移。或者是，在鑄嘴的孔(50)與周壁之間的偏移可以沿著鑄嘴長度的實質部延伸，或甚至如第3圖(b)所示沿著整個鑄嘴長度延伸。
如第6圖(a)~(d)所示，相較於習知的「同軸」鑄嘴的長度L1=L2(參照第6圖(a)~(d)的上半部)，
如本發明所提出的在第一前吐出孔的水平將孔相對於鑄嘴周壁偏移，可使在根據本發明的鑄嘴中的第一前吐出孔的長度L1>L2(參照第6圖(a)~(d)的下半部)實質增加。較長的第一前吐出孔(35)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)可以減少金屬流的動量，因而減少了流股對鑄模翼板的與鑄嘴對峙的外翼板壁(100f-out)的衝擊力。這是重要的，因為衝擊流體會產生紊流且快速侵蝕鑄模的翼板外壁。有限元素模型(FEM)顯示鑄模內之高彎月面下流速(sub-meniscus velocity)增加了鑄模液面波動、和在與鑄嘴對峙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。
在一實施例中，如第3圖(a)、第4圖(d)及第5圖(e)~(h)所示，伸長部(1B)和出口部(1C)兩者的周壁能在大致其整個長度上繞著縱軸X1居中，且至少在第一前吐出孔(35)的水平，孔(50)改變沿著與第一縱軸X1平行且相對於第一縱軸X1偏移的第二縱軸X2、在與
第一前吐出孔相反的方向延伸的幾何形狀。沿著第二縱軸X2延伸的孔部較佳為至少沿著第一橫軸Y的方向變得比沿著第一縱軸X1延伸的孔部還細。如第4圖(d)及第5圖(g)和(h)所示，較細的孔部可以是較寬的上游孔部的同形延長(homothety)，其中孔(50)係在出口部(1C)具有較小的直徑而沿著其整個長度維持圓形橫截面。或者是，較細的孔部可以具有和較寬的上游孔部不同的橫截面形狀。第5圖(e)和(f)說明具有圓形橫截面的寬上游孔部(參照圖中的虛線)和具有橢圓形橫截面的較細的下游孔部，橢圓形的短軸係沿著第一橫軸Y。減少沿著軸Y的方向的孔的下游部的直徑只有以下的優點：可在第一與第二縱軸X1和X2之間得到較大的偏移d，同時維持用於確保所要的金屬流量所需的足夠大的孔橫截面積。下游孔的橫截面縮減是否應該為同形的(homothetic)或沿著一個方向僅依應用而定，且本發明所屬技術領域中具有通常知識者能夠據此形成孔部所需的尺寸。
在第二、替代性實施例中，如第3圖(b)、第4圖(b)和(c)、及第5圖(a)~(d)所示，在前吐出孔的水平上在孔與周壁之間的偏移係藉由以下方式產生：在大致孔的整個長度上將孔(50)繞著第一縱軸X1居中，及至少在第一前吐出孔的水平，在第一橫軸Y的方向上，相較於相反方向，擴大外周壁(1P)。若如第4圖(b)、(c)及第5圖(a)~(d)所示，鑄嘴的外周壁的擴大受限於鑄嘴的下部，其可以節省耐火材料的實質量。另外，外周壁應該開始擴大的鑄嘴水平沒有特別的限定。
在第三實施例中，如第5圖(d)、第6圖(c)所示，組合前兩個實施例，其中，至少在第一前吐出孔(35)的水平，鑄嘴的外周壁(1P)沿著第一橫軸Y的方向擴大，且孔橫截面係至少在該第一橫軸Y的方向上減少，使得孔沿著該第二縱軸X2延伸。此實施例係如第6圖所示可達成第一前吐出孔(35)的最大伸長，其中上述第一實施例係說明在第6圖(a)，第二實施例係說明在第6圖(b)，而第三實施例係說明在第6圖(c)，第一前吐出孔(35)的長度L1隨著實施例(a)、(b)、(c)依序增加。
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4圖(c)及第5圖(a)和(e)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。
為了適當的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4圖及第5圖(c)和(h))。端出口(37)較佳為與縱軸平行的，但其可和後者形成角度。端出口(37)可以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(c)和(h)所示填充有金屬熔體。
在大部分的實施例中，鑄嘴包含單一前吐出孔(35)，其特徵為第一橫軸Y，該第一橫軸Y係與從孔的形心(50x)延伸到壁周緣(1P)的全部節段當中最長者同軸(參照除了第5圖(b)以外的全部圖式)。然而，在一些特定的情況中，可以具有兩個前吐出孔(35)，各自的特徵為如第5圖(b)所示形成「V」形的第一橫軸Y。在此特定實施例中，為了滿足L1>L2的條件，第一和第二前吐出孔(35)的每個第一橫軸Y不能在未超過界限點(boundary point)(1Z)處和壁周緣(1P)交叉，界限點(1Z)界定了在周壁中L1=L2的位置。在第5圖(b)中界限點(1Z)的右邊，L1>L2符合本發明，但其左邊L1<L2而它們成為如上所述的輔助前吐出孔(39、39a、39b)。
另外，流體動量的耗散和經加強的流體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4圖(c)和(d)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)。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樑柱坯鑄模(100)；(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，兩者都與第一伸長部垂直。一個單一的這種浸入式鑄嘴較佳為用於各個鑄模且配置在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，單一鑄嘴較佳
為用於各個鑄模，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。對於這種鑄模，橫切該前吐出孔(35)延伸的額外前吐出孔(在這種前吐出孔位置的水平，在孔與周壁的形心之間具有偏移)，能設想為鑄模的兩個交叉的伸長部具有廣泛的長度(extensive lengths)的情況。
為了可以在鑄嘴周壁與鑄模壁之間(尤其是靠近前吐出孔)得到足夠的間隙δ，鑄嘴的外周壁可以具有與在鑄嘴周遭的鑄模壁輪廓粗略相符的橫截面形狀。例如，周壁的橫截面形狀可以具有如第6圖(d)所示的像梨子或燈泡的形狀。如上所述，需要足夠的間隙δ來防止在鑄嘴與冷卻的鑄模壁之間形成經固化的金屬橋樑。這種鑄嘴的外周壁的形狀可以使第一前吐出孔(35)在鑄模腹板(即，第一伸長部)的方向上更深入地伸入，同時維持其與鑄模壁足夠的間隙(比較第6圖(d)的上部(PA)和下部(INV))。
根據本發明的鑄嘴，利用第一前吐出孔(35)的長度L1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：加強流體動量的耗散、以及瀉出的金屬流股的較高穩定性及較低速度。這進而防止在複雜形狀的鑄模的圓弧處發生流體擾動(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)。
Claims (17)
- 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對峙的第二端，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)；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)的沿著與該第一縱軸(X1)垂直的平面、通過該前吐出孔入口(35i)的平面切口(planar cut)包含：該孔(50)的外形(outline)，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；該鑄嘴的該出口部的該外周壁的外形，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)，係經過該孔形心(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，該伸長部(1B)和該出口部(1C)兩者的周壁，係在大致該鑄嘴的整個長度上繞著該縱軸(X1)置於中心(centred)，且其中至少在該第一前吐出孔(35)的水平(level)，該孔(50)改變在與該第一前吐出孔相反的方向沿著與該第一縱軸(X1)平行且相對於該第一縱軸(X1)偏移的第二縱軸(X2)，延伸的幾何形狀，該鑄嘴沒有包含如下的前吐出孔，其係沿著與該第一前吐出孔(35)相對於該第一縱軸(X1)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；及其中，在該平面切口中，該孔形心(50x)及壁形心(1x)係不同的且分開一段距離d≠0，沿著該第一橫軸(Y)從該孔形心(50x)延伸到該壁周緣(1P)的節段具有長度(L1)，該長度(L1)係比從該壁形心(1X)延伸到在該第一橫軸(Y)與該壁周緣(1P)之間的交叉點的節段的長度(L2)還長。
- 如請求項1的浸入式鑄嘴(1)，其中該孔(50)和界定該伸長部(1B)的該外周壁係在大致該伸長部(1B)的整個長度上繞著該第一縱軸(X1)成同心。
- 如請求項1或2的浸入式鑄嘴，其中該孔(50)係在大致其整個長度上繞著該第一縱軸(X1)居中，且其中至少在 該第一前吐出孔(35)的水平，界定該出口部(1C)的該外周壁係相較於相反的方向，在該第一橫軸(Y)的方向上擴大。
- 如請求項1的浸入式鑄嘴，其中該孔(50)的幾何形狀的改變包含至少沿著該第一橫軸(Y)的方向變細。
- 如請求項1的浸入式鑄嘴，其中該出口部(1C)更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。
- 如請求項1或5的浸入式鑄嘴，其中該出口部(1C)更包含：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。
- 如請求項1的浸入式鑄嘴，其中該前吐出孔係沿著與該第二縱軸(X2)形成小於90°的角度的面對吐出孔方向(affront port direction)(Y1)延伸，使得該前吐出孔出口(35o)的該形心比該前吐出孔入口(35i)的該形心更靠近該鑄嘴第二端。
- 如請求項1的浸入式鑄嘴，其中該第一及第二縱軸(X1)及(X2)係同軸的。
- 如請求項1的浸入式鑄嘴，其中該出口部(1C)更包含：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。
- 如請求項1的浸入式鑄嘴，其中該孔形心(50x)係在該 第一橫軸(Y)上。
- 如請求項1的浸入式鑄嘴，其中該L1/L2比率至少等於1.05。
- 如請求項1的浸入式鑄嘴，其中該L1/L2比率為至少1.1。
- 如請求項1的浸入式鑄嘴，其中該L1/L2比率為至少1.25。
- 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面(floor)的至少一個浸入式鑄嘴(1)，該鑄嘴包含：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)或是與該入口部鄰接；出口部(1C)，係設成相鄰且包括該鑄嘴的與該第一端對峙的第二端，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)；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)的沿著與該第一縱軸(X1)垂直的平面、通過該前吐出孔入口(35i)的平面切口包含：該孔(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；該鑄嘴的該出口部的該外周壁的外形，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)，係經過該孔形心(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，(b)樑柱坯鑄模(beam blank mould)(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，該伸長部(1B)和該出口部(1C)兩者的周壁，係在大致該鑄嘴的整個長度上繞著該縱軸(X1)置於中心 (centred)，且其中至少在該第一前吐出孔(35)的水平(level)，該孔(50)改變在與該第一前吐出孔相反的方向沿著與該第一縱軸(X1)平行且相對於該第一縱軸(X1)偏移的第二縱軸(X2)，延伸的幾何形狀，該鑄嘴沒有包含如下的前吐出孔，其中係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；及其中，在該平面切口中，該孔形心(50x)及壁形心(1x)係不同的且分開一段距離d≠0，沿著該第一橫軸(Y)從該孔形心(50x)延伸到壁周緣(1P)的節段具有長度(L1)，該長度(L1)係比從該壁形心(1X)延伸到在該第一橫軸(Y)與該壁周緣(1P)之間的交叉點的節段的長度(L2)還長，及其中，該第一鑄模方向係包含在包含該第一縱軸(X1)和該前吐出孔方向(Y1)的平面內。
- 如請求項14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。
- 如請求項14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。
- 如請求項14至16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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