ПОГРУЖНОЙ РАЗЛИВОЧНЫЙ СТАКАН
SUBMERSIBLE TEEMING BARREL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к стакану для направления расплавленного металла, например расплавленной стали. Более конкретно, изобретение относится к так называемому погружному разливочному стакану (SEN), также известному как разливочный стакан, используемому в процессе непрерывного литья для производства стали. Изобретение также относится к системе для регулирования течения расплавленного металла, например, при разливке стали.
Уровень техники
В процессе непрерывного производства стальных отливок расплавленную сталь выливают из ковша в крупный резервуар, известный как промежуточный ковш. Промежуточный ковш имеет один или более выпускных каналов, через которые расплавленная сталь вытекает в одну или более соответствующих литейных форм. Расплавленная сталь в литейных формах остывает и затвердевает с образованием полученных непрерывной разливкой затвердевших длин металла. Между промежуточным разливочным устройством и каждой литейной формой размещают погружной разливочный стакан и направляют текущую через него расплавленную сталь из промежуточного ковша в литейную форму. Погружной разливочный стакан имеет форму удлиненного канала и в общем имеет вид жесткой трубки или трубы.
Идеальный погружной разливочный стакан исполняет следующие основные функции. Во-первых, стакан служит для предохранения расплавленной стали, вытекающей из промежуточного разливочного устройства в литейную форму, от контакта с воздухом, поскольку воздействие воздуха могло бы вызывать окисление стали, которое отрицательно влияет на качество. Во-вторых, весьма желательно, чтобы стакан вводил расплавленную сталь в литейную форму настолько ровным и нетурбулентным потоком, насколько возможно. Это обусловлено тем, что турбулентность в литейной форме вызывает затягивание флюса с поверхности расплавленной стали внутрь литейной формы (известное как «захват»), тем самым создавая загрязнения в стальной отливке. Третья основная функция погружного разливочного стакана состоит во введении расплавленной стали в литейную форму в регулируемом режиме, чтобы обеспечить равномерное образование затвердевшей корки и равномерное качество и состав стальной отливки, несмотря на то обстоятельство, что сталь затвердевает наиболее быстро в областях, ближайших к стенкам литейной формы.
Будет понятно, что проектирование и изготовление погружного разливочного стакана, который исполняет все из вышеназванных функций в приемлемой степени, представляет собой исключительно сложную задачу. И не только из-за того, что стакан должен быть спроектирован и изготовлен так, чтобы противостоять нагрузкам и температурам, связанным с быстрым течением расплавленной стали, но и вследствие необходимости подавления турбулентности в сочетании с необходимостью однородного распределения расплавленной стали в литейной форме, что создает предельно сложные проблемы в отношении динамических характеристик течения.
Кроме того, обычной практикой является введение алюминия в процесс литья, чтобы он взаимодействовал с кислородом в любом виде и тем самым удалял его из расплавленной стали - поскольку кислород может образовывать нежелательные пузыри или несплошности внутри металлической отливки. Однако хорошо известно, что образующийся оксид алюминия склонен накапливаться на внутренней поверхности погружных разливочных стаканов, используемых во время процесса литья. Эти отслоения ограничивают течение металла через стакан, что, в свою очередь, оказывает негативное влияние на качество и параметры течения металла, выходящего из стакана. Со временем отложения оксида алюминия могут в конце концов заблокировать течение металла, тем самым делая стакан непригодным для дальнейшего применения.
Поэтому целью настоящего изобретения является представление усовершенствованного погружного разливочного стакана.
Сущность изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, представлен стакан для направления расплавленного металла, включающий: впускной канал на первом конце выше по потоку; по меньшей мере один выпускной канал в сторону второго конца ниже по потоку; внутреннюю поверхность между указанным впускным каналом и указанным по меньшей мере одним выпускным каналом, определяющую отверстие сквозь стакан, при этом отверстие имеет горловинный участок, смежный с впускным каналом; кольцевой канал, созданный во внутренней поверхности стакана; и устройство для подачи текучей среды, предназначенное для введения текучей среды в отверстие через кольцевой канал или ниже по потоку относительно него; причем горловинный участок имеет выпукло-изогнутую поверхность, а кольцевой канал расположен внутри или рядом с выпукло-изогнутой поверхностью горловинного участка.
Будет понятно, что, поскольку кольцевой канал расположен внутри или рядом с выпукло-изогнутой поверхностью горловинного участка (то есть на границе раздела между выпукло-изогнутой поверхностью и остальной частью отверстия), внутренняя поверхность стакана непосредственно выше по потоку относительно кольцевого канала будет изогнутой.
Авторы обнаружили, что настоящее изобретение позволяет вводить текучую среду, такую как аргон, в отверстие стакана с минимальным нарушением течения расплавленного металла через стакан. Заявители предполагают, что это обусловливается тем, что изогнутая поверхность горловинного участка создает касательную поверхность отрыва, которая способствует отделению расплавленного металла от внутренней поверхности стакана до введения текучей среды через кольцевой канал. Однако, в отличие от ситуации с горловинным участком с формой усеченного конуса, где расплавленный металл направляется в сторону центра стакана и создает турбулентность в отверстии, в данном случае расплавленный металл остается главным образом в режиме ламинарного течения и продолжает движение в общем по изогнутому направлению вниз, когда отделяется от внутренней поверхности. Соответственно этому, геометрическая форма стакана перед кольцевым каналом влияет на течение металла и тем самым на эффективность текучей среды, которую вводят через кольцевой канал. По настоящему изобретению текучая среда может быть введена для формирования завесы (то есть слоя) между внутренней поверхностью стакана и протекающим через него расплавленным металлом, как подробно описано ниже. Это способствует предотвращению осаждения включений вдоль отверстия, что, в свою очередь, может влиять на характеристики течения расплавленного металла, выходящего из стакана.
Поэтому эта конкретная конструкция стакана при применении позволяет расплавленному металлу протекать в горловинный участок, пока он не будет сброшен с внутренней поверхности стакана вследствие присутствия кольцевого канала, который можно рассматривать как нарушение непрерывности внутренней поверхности. Этим создается «мертвая зона» в области кольцевого канала, где по существу нет течения металла. Ниже по потоку относительно «мертвой зоны» течение металла естественным образом склонно расширяться, и оно вновь соприкасалось бы с внутренней поверхностью стакана, если бы не вводили текучую среду через устройство для подачи текучей среды. Поэтому будет понятно, что устройство для подачи текучей среды позиционируют для введения текучей среды в эту «мертвую зону» перед повторным соприкосновением металла с внутренней поверхностью стакана. Текучая среда, подводимая в отверстие в области «мертвой зоны», увлекается вниз по внутренней поверхности отверстия потоком расплавленного металла через него. Таким образом, текучая среда образует рукав или завесу между поверхностью отверстия и потоком металла, которая помогает предотвратить повторное соприкосновение металла с внутренней поверхностью стакана и тем самым сокращает накопление включений, таких как оксид алюминия, на внутренней поверхности стакана. В некоторых вариантах исполнения длина завесы может быть осциллирующей, чтобы обеспечить очищающее действие для сведения к минимуму накопления загрязнений. Поскольку текучую среду вводят в «мертвую зону», она может быть введена при более низких скорости и давлении, чем если бы ее вводили непосредственно в поток металла. Соответственно этому, можно добиться значительной экономии количества необходимой текучей среды.
Заявители выполнили Вычислительное Гидродинамическое (CFD) моделирование для исследования эффекта от присутствия горловинного участка 10 в форме усеченного конуса в стакане 12, которое в остальном попадало бы в пределы вышеуказанного определения настоящего изобретения. Результаты этих исследований показаны на фиг.1 в форме карт последовательного фазового распределения в течение первых нескольких секунд после того, как газ 14 вводили через кольцевой канал 16 (который расположен внутри горловинного участка 10), в то время как расплавленный металл 18 протекает через стакан 12. Более конкретно, фиг.1 показывает двадцать три вида фазового распределения внутри стакана 12, причем каждый последующий вид (если рассматривать слева направо) иллюстрирует фазовое распределение через 1 секунду после предшествующего вида. Следует отметить, что фиг.1А показывает увеличенный вид горловинного участка первого вида в фиг.1, который иллюстрирует фазовое распределение, когда газ 14 впервые вводится в отверстие (то есть, когда истекшее время фактически составляет 0 секунд).
В этом конкретном исследовании (что касается сравнительных исследований, то они описаны позднее) использовали простой стакан 12 с открытым концом (то есть имеющий аксиальный выпускной канал равного с отверстием диаметра). Таким образом, внутри стакана 12 расплавленному металлу 18 была обеспечена возможность свободного падения под действием силы тяжести - причем регулирование течения через стакан 12 достигалось исключительно степенью перекрывания стопорным стержнем 20. Соответственно этому, результаты моделирования могут быть в равной мере применимы к другим компоновкам выпускных каналов, которые могли бы быть выбраны согласно характеристикам течения, желательным в литейной форме (кристаллизаторе).
С привлечением фиг.1 можно видеть, что газообразный аргон 14, нагнетаемый через кольцевой канал 16, не формирует защитной завесы вниз по сторонам стакана 12, но вместо этого образует разрозненные газовые карманы 14 вдоль длины отверстия. Соответственно этому, при наличии горловины 10 в форме усеченного конуса нет тенденции к образованию газовой завесы на внутренней поверхности стакана 12, и авторы предполагают, что это обусловливается прямолинейными сторонами горловинного участка 10, направляющими расплавленный металл 18 в сторону центра стакана 12, и это вызывает степень турбулентности в расплавленном металле 18, которая, в свою очередь, диспергирует газ 14, протекающий в отверстие.
Возвращаясь к настоящему изобретению, стакан предназначен для применения в системе, включающей стопорный стержень для регулирования течения расплавленного металла (как описано выше). Горловинный участок в стакане имеет посадочную поверхность, которая принимает стопорный стержень при его применении. Расстояние между стопорным стержнем и посадочной поверхностью может варьировать для регулирования течения расплавленного металла через стакан. Кольцевой канал может быть размещен ниже по потоку относительно посадочной поверхности.
Стакан может относиться к типу, известному как погружной разливочный стакан. Таким образом, стакан может быть сформирован в виде единой детали из цельного огнеупорного материала.
Альтернативно, стакан может быть сформирован из двух или более отдельных компонентов. Например, так называемый внутренний стакан, или стакан промежуточного ковша, при применении может составлять верхнюю часть стакана, и так называемый погружной входной кожух (SES), или однотрубный стакан, в условиях эксплуатации может формировать нижнюю часть стакана. В некоторых вариантах исполнения верхняя часть может включать выпукло-изогнутый горловинный участок на ее конце выше по потоку, и верхняя часть может завершаться поперечно прифланцованной кольцевой пластиной, расположенной на относительно коротком расстоянии от конца горловинного участка ниже по потоку. Нижняя часть может включать соответствующую поперечно прифланцованную кольцевую пластину на ее конце выше по потоку, которая размещена для зажимания с кольцевой пластиной верхней части, чтобы скреплять вместе обе части. Большая часть отверстия стакана может быть сформирована нижней частью. Вышеописанный вариант исполнения может быть использован в системе затвора со стопорным управлением или в случае, где SES или однотрубный стакан с ручным переключением. Особенное преимущество такого варианта исполнения состоит в том, что текучая среда, которую вводят в отверстие через кольцевой канал, может формировать барьер для предотвращения доступа воздуха в отверстие на стыке между двумя компонентами.
В определенных вариантах исполнения стакан предназначен для транспортирования расплавленного металла из промежуточного ковша в литейную форму (кристаллизатор).
Канал может быть сформирован либо полностью внутри горловинного участка (в каковом случае внутренняя поверхность стакана непосредственно ниже по потоку относительно канала будет изогнута), либо он может быть проведен на границе раздела между горловинным участком и остальным отверстием.
Изогнутая поверхность непосредственно выше по потоку относительно канала может иметь касательную плоскость, которая формирует угол между 0° и теоретическим максимумом 90°, по измерению относительно продольной оси отверстия. Таким образом, теоретически касательная плоскость может быть параллельна оси, с углом 0° (в этом случае радиус изогнутой поверхности непосредственно выше по потоку относительно канала перпендикулярен оси стакана), перпендикулярна оси с углом 90° (в этом случае радиус изогнутой поверхности непосредственно выше по потоку относительно канала параллелен оси стакана) или она может пересекать ось под любым углом между этими значениями так, чтобы формировать конус, который открыт в направлении выше по потоку. В некоторых практических вариантах исполнения касательная плоскость может составлять угол между 0° и 50°, между 0° и 30°, между 0° и 5°, между 5° и 20°, или между 5° и 10°, по измерению относительно продольной оси отверстия. Альтернативно, касательная плоскость может составлять угол 45° с продольной осью отверстия.
Ширина канала (то есть его размер вдоль длины отверстия) может быть короткой или может расширяться настолько, что достигает по меньшей мере одного выпускного канала или второго конца стакана (то есть диаметр отверстия во всех положениях ниже по потоку относительно стенки канала выше по потоку превышает диаметр отверстия непосредственно выше по потоку относительно канала). Более конкретно, ширина канала может варьировать в диапазоне приблизительно от 0,5% до 95% расстояния между первым и вторым концами стакана. В определенных вариантах исполнения ширина канала составляет не более 60% расстояния между первым и вторым концами стакана. В других вариантах исполнения ширина канала не превышает 30% расстояния между первым и вторым концами стакана. В других дополнительных вариантах исполнения ширина канала не превышает 10% расстояния между первым и вторым концами стакана. В еще других дополнительных вариантах исполнения ширина канала не превышает 5% расстояния между первым и вторым концами стакана. Будет понятно, что максимальная ширина канала будет определяться положением канала внутри стакана. Например, там, где канал размещен в месте, составляющем 10% расстояния от первого конца до второго конца, максимальная протяженность канала будет занимать 90% расстояния между первым и вторым концами.
Глубина канала (то есть его радиальная протяженность) может варьировать в диапазоне приблизительно от 0,1% до 50% толщины стакана в точке непосредственно выше по потоку относительно канала.
Профиль поперечного сечения канала не является в особенности ограниченным, и он может быть, например, полусферическим, квадратным, треугольным (например, V-образным), U-образным или с любой другой многоугольной формой. Соответственно этому, канал может определяться участками стенки отверстия, которые являются изогнутыми или прямолинейными, или составлять их комбинацию. В дополнение, участок стенки на конце канала выше по потоку может простираться в основном в сторону второго конца стакана, в сторону первого конца стакана или параллельно первому и второму концам.
Хотя канал может быть полностью кольцевым (то есть быть проложенным вдоль всей внутренней поверхности отверстия), необходимый функциональный эффект смещения металла от внутренней поверхности стакана по-прежнему будет достигаться или частично достигаться при наличии одной или более несплошностей в канале (то есть предполагается вариант исполнения, в котором канал составлен несколькими отделенными друг от друга каналами, образующими часть кольца). В таких случаях сумма промежутков между каналами будет составлять менее 50%, предпочтительно менее 35%, более предпочтительно менее 20% и наиболее предпочтительно менее 15% суммы длин каналов.
Устройство для подачи текучей среды может включать по меньшей мере один проток (предпочтительно многочисленные протоки), проложенный сквозь боковую сторону стакана к каналу или к части внутренней поверхности ниже по потоку относительно канала. Устройство для подачи текучей среды может включать пористый блок, который составляет по меньшей мере один участок стенки канала или часть внутренней поверхности ниже по потоку относительно канала и который скомпонован для диффузии текучей среды через него.
В конкретных вариантах исполнения устройство для подачи текучей среды скомпоновано для подведения в отверстие газа, такого как аргон.
Горловинный участок может, например, иметь протяженность в осевом направлении от 3 до 10% (например, приблизительно 5%) расстояния между первым и вторым концами стакана.
По меньшей мере один выпускной канал может быть ориентирован аксиально или наклонно к продольной оси отверстия.
Диаметр отверстия стакана ниже по потоку относительно канала может быть большим, равным или меньшим, чем диаметр отверстия в области канала. В одном варианте исполнения диаметр отверстия ниже по потоку относительно канала является меньшим, чем диаметр отверстия в области канала, но превышать диаметр отверстия непосредственно выше по потоку относительно канала.
В отверстии может быть предусмотрено по меньшей мере одно углубление. Это по меньшей мере одно углубление может иметь связанное (второе) устройство для подачи текучей среды, предназначенное для введения текучей среды в отверстие в месте углубления или ниже него. Углубление может быть в форме кольцевого канала или части кольцевого канала или каналов. Текучая среда, вводимая вторым устройством для подачи текучей среды, может быть такой же или отличающейся от той, которую вводят первым устройством для подачи текучей среды, но традиционно является такой же.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, представлена система регулирования течения расплавленного металла, причем система включает стакан согласно любому из вышеуказанных вариантов исполнения первого аспекта настоящего изобретения и стопорный стержень, скомпонованный для приема в горловинном участке стакана для регулирования течения расплавленного металла через стакан.
Стопорный стержень может включать удлиненный, главным образом цилиндрический корпус со скругленным или имеющим форму усеченного конуса наконечником, конфигурированным для запирания впускного канала стакана, будучи в контакте с посадочной поверхностью горловинного участка. Стопорный стержень может включать продольный канал по его центру для подачи текучей среды через его наконечник. Текучая среда может представлять собой газ, такой как аргон. Подача такой текучей среды через стопорный стержень при эксплуатации помогает предотвратить наслоение загрязнений, таких как оксид алюминия, на наконечнике стопорного стержня, а также внутри стакана.
Авторы обнаружили, что они могут достигнуть улучшенных характеристик течения уменьшением количества текучей среды, подводимой через сам стопорный стержень, в определенных случаях даже до нуля, и вместе с тем использовать меньшее количество текучей среды, чем обычно подавалось бы через стопорный стержень, в стакан согласно настоящему изобретению. Таким образом, согласно настоящему изобретению может быть снижен общий расход текучей среды в системе.
В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения, представлен способ регулирования течения расплавленного металла через стакан согласно первому аспекту, причем способ включает стадии, в которых направляют поток расплавленного металла через стакан; отводят поток расплавленного металла от внутренней поверхности стакана у канала для создания мертвой зоны; вводят текучую среду в мертвую зону и обеспечивают расплавленному металлу возможность увлекать текучую среду вниз по стакану для создания барьера между потоком расплавленного металла и стаканом.
Краткое описание чертежей
Теперь будут описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения только на примере, с привлечением чертежей, на которых:
Фиг.1 иллюстрирует результаты Вычислительного Гидродинамического (CFD) моделирования для последовательного фазового распределения расплавленного металла, протекающего через стакан, имеющий горловинный участок в форме усеченного конуса, в первые несколько секунд после введения газа;
Фиг.1А показывает увеличенный вид горловинного участка стакана, смоделированного в первом виде фиг.1, когда газ впервые вводят в стакан;
Фиг.2А иллюстрирует в разрезе известный разливочный узел в применении, в котором стопорный стержень размещен в промежуточном разливочном устройстве так, что его наконечник расположен в горловине погружного разливочного стакана;
Фиг.2В иллюстрирует увеличенный вид части узла из фиг.2А, показывающий впускной канал и верхнюю часть стакана, и смежные наконечник и нижнюю часть стопорного стержня;
Фиг.3 иллюстрирует профиль поперечного сечения выпускного канала и верхней части стакана согласно варианту А осуществления настоящего изобретения, и смежных наконечника и нижней части известного стопорного стержня из фиг.2А;
Фиг.4 иллюстрирует профиль поперечного сечения выпускного канала и верхней части стакана согласно варианту В осуществления настоящего изобретения, и смежных наконечника и нижней части известного стопорного стержня из фиг.2А;
Фиг.5 иллюстрирует профиль поперечного сечения выпускного канала и верхней части стакана согласно варианту С осуществления настоящего изобретения, и смежных наконечника и нижней части известного стопорного стержня из фиг.2А;
Фиг.6 иллюстрирует профиль поперечного сечения выпускного канала и верхней части стакана согласно варианту D осуществления настоящего изобретения, и смежных наконечника и нижней части известного стопорного стержня из фиг.2А;
Фиг.7 иллюстрирует профиль поперечного сечения одной стороны впускного канала и верхней части стакана согласно варианту A' осуществления настоящего изобретения;
Фиг.8 иллюстрирует профиль поперечного сечения одной стороны впускного канала и верхней части стакана согласно варианту В' осуществления настоящего изобретения;
Фиг.9 иллюстрирует профиль поперечного сечения одной стороны впускного канала и верхней части стакана согласно варианту С' осуществления настоящего изобретения;
Фиг.10А, В и С, соответственно, иллюстрируют результаты Вычислительного Гидродинамического (CFD) моделирования для последовательного фазового распределения, скорости и давления расплавленного металла, протекающего через стакан согласно варианту В осуществления настоящего изобретения, в первые 20 секунд после введения газа;
Фиг.11А, В и С, соответственно, иллюстрируют результаты Вычислительного Гидродинамического (CFD) моделирования для последовательного фазового распределения, скорости и давления расплавленного металла, протекающего через стакан согласно варианту D осуществления настоящего изобретения, в первые 20 секунд после введения газа;
Фиг.12 иллюстрирует вид продольного разреза стакана согласно варианту A'' осуществления настоящего изобретения - подобный горловинный участок показан также на фиг.3 и 7;
Фиг.12А показывает увеличенный вид части горловинного участка из фиг.12, иллюстрирующий устройство для подачи текучей среды в кольцевой канал; и
Фиг.12В показывает увеличенный вид части отверстия из фиг.12, иллюстрирующий впускной канал для текучей среды, поступающей в устройство для подачи текучей среды.
Подробное описание определенных вариантов исполнения
Как обсуждалось выше, фиг.1 и 1А показывают результаты Вычислительного Гидродинамического (CFD) моделирования для последовательного фазового распределения расплавленного металла, протекающего через стакан 12, имеющий горловинный участок 10 в форме усеченного конуса, в первые несколько секунд после введения газа. Ясно показано, что газ 14, вводимый в отверстие стакана 12, не формирует сплошного защитного слоя между внутренней поверхностью стакана 12 и протекающим через него расплавленным металлом 18. Напротив, фиг.1 показывает, что газ 14 склонен диспергироваться на отдельные газовые карманы в результате турбулентности, вызванной расплавленным металлом 18, выбрасываемым из горловины 10 с формой усеченного конуса в сторону центра стакана 12.
С привлечением фиг.2А и В схематически показан известный литейный узел, в котором стопорный стержень 100 позиционирован в промежуточном ковше 102 так, что его наконечник 104 размещается во впускном канале 106 погружного разливочного стакана (SEN) 108. Стопорный стержень 100 подвешен на управляющем устройстве 110 так, что он может смещаться вертикально для регулирования течения расплавленного металла из промежуточного ковша 102 через стакан 108 и ниже в литейную форму (не показана).
В показанном узле стакан 108 в основном имеет форму удлиненной трубы с пустотелой, главным образом цилиндрической, боковой стенкой 116, с внутренней поверхностью 117, определяющей проходящее через него отверстие 118. В сторону верха (первого конца) стакана 108 боковая стенка 116 расширяется наружу с образованием горловинного участка 200 с выпуклой кривизной. Будет понятно, что впускной канал 106 составляет горизонтальную плоскость поперек свободного конца горловинного участка 200. В дополнение, кольцевая часть горловинного участка 200 составляет посадочную поверхность 220, которая при применении служит для посадки стопорного стержня 100. На нижнем (втором) конце стакана 108 находятся два радиально противолежащих выпускных канала 210 сквозь боковую стенку 116, каждый из которых имеет главным образом круглое поперечное сечение. Основание 240 стакана 108 закрыто.
Как показано в фиг.2В, известный стопорный стержень 100 входит в горловинный участок 200. Стопорный стержень 100 включает удлиненный, в основном цилиндрический, корпус 260 со скругленным наконечником 104 на своем нижнем конце. Скругленный наконечник 104 скомпонован для приема во впускном канале 106 так, что когда стопорный стержень 100 опускается относительно стакана 108, наконечник 104 в конечном итоге будет контактировать с горловинным участком 200 по кольцевой посадочной поверхности 220. Этим создается запирание, которое препятствует течению металла из впускного канала 106 в отверстие 118. Подъем стопорного стержня 100 относительно стакана 108 (как показано в фиг.1В) создает зазор между ними, через который металл может протекать в стакан 108. Таким образом, изменением вертикального положения стопорного стержня 100 относительно стакана 108 можно регулировать объем потока через стакан 108.
Стопорный стержень 100, показанный в фиг.2А и В, также включает относительно большое цилиндрическое отверстие 300 через корпус 260 и относительно маленькое цилиндрическое отверстие 320, протяженное из отверстия 300 через наконечник 104 к кончику 340 стопорного стержня 100. Эти отверстия 300, 320 скомпонованы для обеспечения возможности подачи текучей среды, обычно газообразного аргона, через стопорный стержень 100. При работе эта подача газа помогает предотвратить накопление загрязнений, присутствие которых может оказывать вредное влияние на течение металла в стакан 108 и через него, на поверхности наконечника 104 и самого стакана 108.
Общеизвестная проблема заключается в том, что во время эксплуатации (в процессе разливки стали) загрязнения, такие как оксид алюминия, осаждаются на внутренней поверхности таких стаканов, как описаны выше с привлечением фиг.2А и В. Эти отложения нарушают течение расплавленного металла через стакан и ниже в литейную форму, что, в свою очередь, может ухудшать качество стальной отливки.
Известная попытка минимизировать отложение загрязнений внутри стакана включает размещение пористого кольца (не показано) внутри боковой стенки 116 и нагнетание через него газообразного аргона. Эффективность этого подхода зависит от распределения газа, поступающего в отверстие 118. Однако поры в кольце этого типа обычно засоряются, и это ведет к неоднородному и неэффективному распределению газа. В дополнение, газ нужно вводить в отверстие 118 при относительно высоком давлении, чтобы иметь возможность сместить поток стали в сторону для формирования пространства для него. Это имеет результатом большой расход газа, который представляет собой дорогостоящий ресурс.
Фиг.3 иллюстрирует вариант А осуществления настоящего изобретения, который имеет целью разрешение вышеуказанных проблем. Как можно видеть, фиг.3 показывает такую же общую компоновку стакана и стопорного стержня, как описано выше в отношении фиг.2В, и тем самым будут использоваться сходные кодовые номера позиций, где это уместно. Основное различие между прототипным стаканом 108 в фиг.2В и конструкцией стакана 350 в варианте А исполнения согласно фиг.3 состоит в том, что на границе раздела между горловинным участком 200 и отверстием 118 предусмотрен кольцевой канал 360. Канал 360 в этом варианте исполнения формируют относительно короткой радиальной проточкой 380 и относительно длинной в направлении вниз и наклоненной внутрь частью 400 стенки. Диаметр отверстия 118 ниже по потоку относительно канала 360 является таким же, как диаметр, который получался бы, если бы кривизна горловинного участка 200 продолжалась вместо канала 360 и завершалась в той же точке, как часть 400 стенки. Хотя это не показано в фиг.3, предусмотрен проток через боковую сторону стакана 350 для подачи при применении текучей среды, то есть газа (такого как аргон) в канал 360. Как будет более подробно описано ниже, фиг.12, 12А и 12В иллюстрируют особую компоновку для подачи текучей среды в канал 360.
Фиг.4 иллюстрирует вариант В осуществления настоящего изобретения, который показывает такую же общую компоновку стакана и стопорного стержня, как описано выше в отношении фиг.3, так что будут использоваться сходные кодовые номера позиций, где это уместно. Основное различие между стаканом 350 по фиг.3 и конструкцией стакана 410 в варианте В исполнения согласно фиг.4 заключается в относительных размерах кольцевых каналов. В частности, канал 420 в этом варианте исполнения формируют относительно длинной радиальной проточкой 440 (приблизительно в три раза более длинной, чем в варианте А исполнения). Опять же, наклоненная вниз и внутрь часть 460 стенки создана от конца проточки 44 до точки, у которой кривизна горловинного участка 20 соответствовала бы отверстию 118, если бы канал 420 не был сформирован.
Фиг.5 иллюстрирует вариант С осуществления настоящего изобретения, которая показывает такую же общую компоновку стакана и стопорного стержня, как описано выше в отношении фиг.4, и тем самым будут использоваться сходные кодовые номера позиций, где это уместно. Основное различие между стаканом 410 в фиг.4 и конструкцией стакана 480 в варианте С исполнения согласно фиг.5 состоит в форме кольцевого канала 500. В частности, в этом варианте исполнения канал 500 имеет прямоугольное поперечное сечение. Таким образом, канал 500 формируют радиальной проточкой 520 (составляющей приблизительно половину длины проточки в варианте В исполнения), протяженной вертикально вниз частью 540 стенки и протяженной радиально внутрь частью 560 стенки.
Фиг.6 иллюстрирует вариант D осуществления настоящего изобретения, которая показывает такую же общую компоновку стакана и стопорного стержня, как описано выше в отношении фиг.4, и тем самым будут использованы сходные кодовые номера позиций, где это уместно. Основное различие между стаканом 410 в фиг.4 и конструкцией стакана 660 в варианте D исполнения согласно фиг.6 состоит в положении кольцевого канала 680. В частности, в этом варианте исполнения канал 680 размещают приблизительно посередине между посадочной поверхностью 220 и нижним концом горловинного участка 200. Общая форма канала 680 является такой же, как форма канала 420 в фиг.4, однако, поскольку теперь канал 680 размещен на изогнутой части стакана 660, проточка 700 проходит наружу и слегка вниз, и часть 720 стенки простирается больше внутрь, чем вниз.
Фиг.7 иллюстрирует вид поперечного сечения боковой стороны стакана, показывающий конкретную компоновку для создания канала 360 согласно варианту А исполнения (фиг.3). Как можно видеть, сначала на внутренней поверхности 117 стакана, в положении желательного канала 360, создают канавку 740 с прямолинейными сторонами. Канавку 740 конфигурируют так, чтобы она имела такую же ширину, как и желательный канал 360, но значительно увеличенную глубину (то есть радиальную протяженность). На основании канавки 740 размещают керамическую пористую кольцевую вставку 760 и запрессовывают в стакан. Пористой кольцевой вставке 760 придают форму для плотной посадки на основание канавки 740, чтобы ее обращенная внутрь поверхность составила часть стенки желательного канала. В этом конкретном варианте исполнения пористая кольцевая вставка 760 образует наклоненную вниз и внутрь часть 400 стенки канала 360 с открытой частью верхней стороны канавки 740, составляющей проточку 380. Пористая кольцевая вставка 760 скомпонована для диффузии газа, подаваемого к ней из газоподводящего канала (в фиг.7 не показан) в канал 360.
Фиг.8 иллюстрирует вид поперечного сечения боковой стороны стакана, показывающий конкретную компоновку для создания канала 420 согласно варианту В исполнения (фиг.4). Используют такую же общую компоновку канала и пористой кольцевой вставки, как описано выше в отношении фиг.7, и тем самым будут использованы сходные кодовые номера позиций, где это уместно. Основное различие между конструкцией в фиг.7 и компоновкой в фиг.8 состоит в величине угла открытой поверхности пористой кольцевой вставки 780. В частности, пористая кольцевая вставка 780 имеет менее круто наклоненную открытую поверхность относительно горизонтали, которая составляет наклоненную вниз и внутрь часть 460 стенки канала 420 в варианте В исполнения. Как и выше, открытая часть верхней стороны канавки 740 составляет проточку 440. Однако в этом варианте исполнения проточка 440 является значительно большей, чем в варианте А исполнения.
Фиг.9 иллюстрирует вид поперечного сечения боковой стороны стакана, показывающий конкретную компоновку для создания канала 500 согласно варианту С исполнения (фиг.5). Используют такую же общую компоновку канала и пористой кольцевой вставки, как описано выше в отношении фиг.8, и тем самым будут использованы сходные кодовые номера позиций, где это уместно. Основное различие между конструкцией в фиг.8 и компоновкой в фиг.9 состоит в форме канала, созданного открытой поверхностью пористой кольцевой вставки 800. В частности, пористая кольцевая вставка 800 имеет вертикальную открытую поверхность, размещенную внутри канавки 740 для образования вертикальной части 540 стенки канала 500 согласно варианту С исполнения. Как и ранее, открытая часть верхней стороны канавки 740 составляет проточку 520. В дополнение, открытая часть нижней стороны канавки 740 составляет протяженную радиально внутрь часть 560 стенки. Таким образом, в этом варианте исполнения канал является по существу прямоугольным по форме, в отличие от треугольной формы (как в вариантах А и В исполнения).
При применении вышеописанные варианты исполнения позволяют расплавленному металлу протекать вдоль горловинного участка стакана, пока он не будет сброшен с изогнутой поверхности горловины ввиду присутствия канала. Этим создается «мертвая зона» в области канала, где течения металла по существу нет. Ниже по потоку относительно «мертвой зоны» течение металла естественным образом склонно расширяться для заполнения отверстия, и оно вновь соприкасалось бы с внутренней поверхностью стакана, если бы через проток к каналу не подводили газ (аргон). Аргон, подводимый в отверстие в области «мертвой зоны», увлекается вниз по внутренней поверхности отверстия потоком протекающего через него расплавленного металла. Таким образом, аргон формирует рукав или завесу между отверстием и потоком металла, которая помогает воспрепятствовать повторному контакту металла с поверхностью стакана и тем самым сократить отложения загрязнений, таких как оксид алюминия, на поверхности стакана. В некоторых вариантах исполнения длина завесы может быть колеблющейся, чтобы создать очищающий эффект для сведения к минимуму накопления загрязнений. Поскольку аргон вводят в «мертвую зону», он может быть введен при более низких скорости и давлении, чем если бы его вводили непосредственно в поток металла. Соответственно этому, можно обеспечить значительную экономию количества необходимого аргона.
Будет понятно, что такой же эффект может быть достигнут, если аргон подают в отверстие в положении, смежном с каналом или ниже него, но перед местом повторного контакта потока металла с внутренней поверхностью стакана.
Фиг.10А, В и С, соответственно, иллюстрируют результаты Вычислительного Гидродинамического (CFD) моделирования для последовательного фазового распределения, скорости и давления расплавленного металла, протекающего через стакан 410 согласно варианту В (иллюстрированному в фиг.4 и 8) осуществления настоящего изобретения, в первые 20 секунд после введения газообразного аргона.
В этом конкретном исследовании использовали простой стакан с открытым концом (то есть имеющий аксиальный выпускной канал равного с отверстием диаметра). Таким образом, внутри стакана расплавленный металл мог свободно падать под действием силы тяжести - причем регулирование течения через стакан достигалось исключительно степенью перекрывания стопорным стержнем. Соответственно этому, результаты моделирования могли бы быть в равной мере применимы к другим компоновкам выпускных каналов, которые могли бы быть выбраны согласно характеристикам течения, желательным в литейной форме.
С привлечением фиг.10А можно видеть, что газообразный аргон, нагнетаемый через канал 420, увлекается вниз по сторонам стакана 410 потоком 840 расплавленного металла с образованием защитной завесы 820. Когда завеса 820 достигает конца стакана 410, давление расплавленного металла 840 проявляет тенденцию к повышению, и это вызывает рассеивание завесы. Это является желательным, поскольку способствует предотвращению образования больших факелов газа, которые могут обусловливать турбулентность в литейной форме при выходе из стакана.
На фиг.10А, В и С также можно видеть, что завеса 820 в некоторых вариантах исполнения может быть нестабильной, и фактически нестабильная завеса 820 (то есть завеса, которая колеблется вверх и вниз по стакану 410) реально может обеспечивать чистую поверхность стакана, поскольку колебание будет создавать эффект очистки на внутренней поверхности стакана 410.
Чтобы сократить турбулентность в литейной форме, желательно, чтобы некоторая часть энергии потока 840 металла рассеивалась, прежде чем он выйдет из стакана 410. Это может быть достигнуто обеспечением того, что поток 840 не будет выходить из стакана 410 при своей максимальной скорости. Как показано на фиг.10В, область наибольшей скорости в основном находится в стороне центра отверстия и не вблизи конца стакана 410.
При сравнении фиг.10В (скорость) и 10С (давление) можно видеть, что в этом варианте исполнения область самого высокого давления в потоке в основном имеет место ниже по потоку относительно области самой высокой скорости, но все же следует отметить, что область самого высокого давления в общем не примыкает к концу стакана 410.
Фиг.11А, В и С, соответственно, иллюстрируют результаты Вычислительного Гидродинамического (CFD) моделирования для последовательного фазового распределения, скорости и давления расплавленного металла, протекающего через стакан 660 согласно варианту D (иллюстрированному в фиг.6) осуществления настоящего изобретения, в первые 20 секунд после введения газообразного аргона.
Показанные результаты в значительной мере подобны результатам, описанным выше в отношении фиг.10А, В и С, но, поскольку в этом случае канал 680 размещен существенно выше в горловине 200 стакана 660, завеса 820 начинается в более высоком относительном положении и склонна к разрушению при более высоком относительном положении.
Вышеприведенные результаты моделирования были получены в расчете на величину расхода потока газа 4 литра в минуту через стакан, и без подачи газа через стопорный стержень. Это представляет значительное сокращение потребления газа сравнительно с современной практикой, в которой обычно требуется величина расхода потока 8 литров в минуту через стопорный стержень.
Фиг.12 иллюстрирует вид стакана в продольном разрезе согласно варианту A'' осуществления настоящего изобретения, который имеет такую же общую форму стакана, описанного выше в отношении фиг.3 и 7, и тем самым будут использованы сходные кодовые номера позиций, насколько это уместно. Основное различие между стаканом 350, показанным в фиг.3, и стаканом, показанным в фиг.12, 12А и 12В, состоит в том, что теперь иллюстрировано устройство 900 для подачи текучей среды в кольцевой канал 360. Устройство 900 для подачи текучей среды включает впускной канал 902 на наружной поверхности стакана 350 (скомпонованный для введения текучей среды в стакан 350), вертикальный проток 904, протяженный вверх от впускного канала 902 через боковую стенку 116 до кольцевого протока 906, размещенного вокруг наружного края керамической пористой кольцевой вставки 760, которая формирует наружную стенку кольцевого канала 360, как описано в отношении фиг.7. Таким образом, при применении текучая среда (обычно газообразный аргон) может быть подведена в отверстие 118 протеканием ее через впускной канал 902, вдоль вертикального протока 904, вокруг кольцевого протока 906 и через пористое кольцо 760 в кольцевой канал 360.
Дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения (не показан) включает канал, который сформирован в основном протяженной наружу проточкой и в основном протяженной вниз частью стенки, которая продолжается до конца стакана. Таким образом, ширина отверстия ниже по потоку относительно проточки остается по существу постоянной и большей, чем ширина отверстия непосредственно выше по потоку относительно проточки. Альтернативно, ширина отверстия ниже по потоку относительно проточки может увеличиваться, или она может уменьшаться до размера, который все еще превышает величину непосредственно выше по потоку относительно проточки. Основное преимущество этих конкретных вариантов исполнения состоит в том, что поток расплавленного металла мог бы расширяться больше, чем обычно, до нового соприкосновения с внутренней поверхностью стакана. Это будет достигаться дольше, чем ранее, и тем самым более вероятно, что сформированная аргоновая завеса фактически будет более длинной вниз по стакану.
Разнообразные варианты осуществления настоящего изобретения имеют ряд преимуществ. В частности, они позволяют создать гомогенное течение металла в литейную форму, обеспечить более продолжительный срок службы стакана, повысить качество стали, увеличить производительность и сократить расход аргона.
Квалифицированным специалистам в этой области технологии будет понятно, что разнообразные модификации вышеописанных вариантов исполнения могут быть сделаны без выхода за пределы области настоящего изобретения. В частности, признаки двух или более описанных вариантов исполнения могут быть скомбинированы в единый вариант исполнения.