ПОГРУЖНОЙ ВЫПУСКНОЙ РАЗЛИВОЧНЫЙ СТАКАН (ВАРИАНТЫ)
SUBMERSIBLE DISCHARGE NOZZLE (VERSIONS)

Область техники
Настоящее изобретение в целом имеет отношение к созданию разливочных стаканов, которые используют при непрерывной разливке жидкого металла. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к созданию усовершенствованного стакана, имеющего множество выпусков.
Уровень техники
Жидкий металл и, в частности, жидкую сталь, обычно разливают в кристаллизатор машины для непрерывной разливки через разливочный стакан. Разливочный стакан обычно изготовлен из огнеупорного материала и имеет главным образом форму трубки, с впуском для приема жидкого металла и одним или несколькими выпусками для спуска жидкого металла. Жидкий металл протекает через впуск в стакан, затем протекает через центральную расточку стакана, и вытекает по меньшей мере через один выпуск стакана. При непрерывной разливке плоских заготовок (слябов) стакан расположен в целом вертикально, причем выпускной участок стакана расположен внутри верхней части полости кристаллизатора, имеющей форму плоской заготовки, чтобы направлять поток металла в верхнюю часть кристаллизатора.
При разливке плоских заготовок часто желательно так проектировать стакан, чтобы выходной поток разделялся по меньшей мере на две струи, которые выходят из стакана с противоположных сторон стакана, почти в горизонтальном направлении к более узким сторонам полости кристаллизатора для отливки плоской заготовки. За счет этого большая часть горячего жидкого металла, втекающего в кристаллизатор, направляется при помощи стакана по ширине плоской заготовки, не имея прямого столкновения с широкими сторонами кристаллизатора для отливки плоской заготовки и не погружаясь непосредственно вниз в плоскую заготовку. Почти горизонтальная ориентация выходящих из стакана струй помогает получить более однородные температуры в верхней части ванны жидкого металла в кристаллизаторе. Это также помогает более однородно расплавлять смазочный порошок, который добавляют в верхнюю часть кристаллизатора во время разливки, и избежать связанных с качеством проблем при отливке металлического продукта, таких как образование трещин в плоской заготовке или захват неметаллических включений и газовых пузырьков при отливке металлических продуктов.
Типичное расположение разливочного стакана 2 в кристаллизаторе 4 для отливки плоской заготовки показано на фиг.1. Для обеспечения близкого к горизонтальному выхода противоположных струй жидкого металла из разливочного стакана 2 стакану 2 обычно придают такую конфигурацию, которая поворачивает поток жидкого металла от вертикали в направлении горизонтали при помощи закрытого дна 6, расположенного непосредственно ниже центральной расточки 8, и при помощи противоположных боковых выпусков 10, 12. Желательный угол поворота потока жидкого металла в разливочном стакане 2, который используют для разливки плоской заготовки, обычно лежит в диапазоне от 55 до 105 градусов, от вертикали в направлении горизонтали, в зависимости от ширины кристаллизатора для отливки плоской заготовки, скоростей разливки, разливаемых сплавов и т.п., что хорошо известно специалистам в данной области.
Обычно разливочные стаканы с центральной расточкой, единственной донной крышкой и с боковыми выпусками используют для поворота вытекающего из стакана потока жидкого металла почти до горизонтали. Единственная простая донная крышка предотвращает прямое вытекание потока вниз из стакана, причем поток совершает поворот к горизонтали и вытекает через противоположные боковые выпуски стакана. Оси боковых выпусков образуют угол с вертикальной осью центральной расточки, известный как проектный угол поворота, как это показано на фиг.2, 3 и 6. Например, на фиг.2 показан стакан для разливки плоской заготовки, который имеет проектный угол поворота 90 градусов и два противоположных боковых выпусков. На фиг.3 показан стакан для разливки плоской заготовки, который имеет проектный угол поворота 55 градусов и два противоположных боковых выпуска. На фиг.6 показан стакан для разливки плоской заготовки, который имеет проектный угол поворота 105 градусов и два противоположных боковых выпуска.
Известные стаканы страдают множеством недостатков: (1) выходные струи не доходят до проектного угла поворота стаканов и их действительный угол поворота изменяется и отклоняется во время операции разливки, (2) выходные струи обычно не используют полностью площадь поперечного сечения боковых выпусков, (3) выходные струи имеют не однородную скорость, причем скорости выхода из стакана на нижних участках выходных струй существенно выше, чем скорости выхода из стакана на верхних участках выходных струй, (4) выходные струи проникают слишком глубоко в ванну жидкого металла в кристаллизаторе, и (5) выходные струи имеют турбулентное вращение и завихрение, которое изменяются во времени. Эти проблемы приводят к нежелательным и нестабильным режимам течения жидкого металла в кристаллизаторе, к образованию закупоривающих отложений в расточке стакана и в выпусках стакана, и к чрезмерной турбулентности в выходных струях стакана и в ванне жидкого металла в кристаллизаторе. Суммарное воздействие этих проблем вредно влияет на эксплуатационную характеристику разливочной машины и вредно влияет на качество отлитых плоских заготовок.
Уже были предприняты различные попытки решения указанных проблем, которые предусматривают изменение конструкции донной крышки стакана. Например, для улучшения и стабилизации выходных струй, вытекающих из противоположных боковых выпусков, донная крышка стакана может иметь небольшое отверстие 14, как это показано на фиг.4, позволяющее относительно небольшой части потока жидкого металла выходить из стакана в направлении вниз. Отверстие в донной крышке ослабляет выходные струи, вытекающие из боковых выпусков. Ослабление повернутых выходных струй уменьшает их отклонение, но также уменьшает часть потока, который повернут к узким сторонам кристаллизатора, в результате чего снижается количество движения или проникающая способность повернутых выходных струй, позволяющая доходить до узких концов кристаллизатора. Более того, если отверстие или отверстия сделать слишком широкими, поворот потока почти к горизонтали может быть полностью подавлен.
Другим путем улучшения и стабилизации выходных струй, вытекающих из противоположных боковых выпусков, является снабжение стакана донной крышкой, расположенной ниже дна выпусков. Стакан с донной крышкой, расположенной ниже дна выпусков, показан на фиг.5 и называется стаканом с донной крышкой в виде кармана. Стаканы с донной крышкой в виде кармана не позволяют решать отмеченные выше проблемы, так как такие стаканы все еще не позволяют достичь проектного угла поворота выходных струй, причем все еще происходит отклонение выходных струй. Разливочные стаканы с донной крышкой в виде кармана позволяют улучшить однородность скоростей выходных струй, хотя и не в полной степени, однако завихрение и турбулентность выходных струй возрастают, что снижает их проникающую способность и ухудшает способность струй доходить до узких сторон кристаллизатора с количеством движения, достаточным для того, чтобы установить постоянный режим течения в кристаллизаторе.
Еще одним путем улучшения и стабилизации выходных струй, вытекающих из противоположных боковых выпусков, является использование верхних и нижних боковых выпусков. Стакан, снабженный верхними и нижними боковыми выпусками, показан на фиг.12. Стакан имеет простую центральную расточку с постоянной площадью поперечного сечения и с противоположными верхними и нижними боковыми выпусками над закрытым дном. Такие стаканы также не позволяют решать отмеченные выше проблемы. Часть потока жидкого металла, который выпускается через верхние боковые выпуски, существенно меньше, чем часть потока жидкого металла, который выпускается через нижние боковые выпуски, если только полная площадь поперечного сечения (полная открытая площадь) нижних выпусков не меньше площади поперечного сечения (открытой площади) центральной расточки. В этом случае выходные струи из верхних выпусков не доходят до их проектного угла поворота и имеют турбулентные, нестабильные завихрения, а также отклоняются. Если полная площадь поперечного сечения нижних выпусков в целом равна или больше площади поперечного сечения центральной расточки, малая выходная струя (если она вообще есть) будет вытекать из верхних выпусков, причем жидкий металл может даже втекать в верхние выпуски из ванны металла в кристаллизаторе, что компрометирует функцию стакана. В любом случае, известные стаканы, которые имеют простую центральную расточку с постоянной площадью поперечного сечения и противоположными верхними и нижними боковыми выпусками над закрытым дном, не позволяют решить отмеченные выше проблемы.
Альтернативный стакан с верхними и нижними боковыми выпусками над закрытым дном, раскрытый в патенте США No.4,949,778, показан на фиг.7. В этом патенте описан разливочный стакан, в котором по меньшей мере один участок центральной расточки стакана имеет уменьшенную площадь поперечного сечения во всех радиальных направлениях вокруг центральной оси стакана, причем стакан имеет противоположные боковые выпуски. Используют боковые выпуски, полная площадь поперечного сечения которых не меньше, чем удвоенная площадь поперечного сечения центральной расточки до ее уменьшения, причем боковые выпуски расположены выше и ниже уменьшенного участка или участков центральной расточки. В указанном патенте приведен также набор математических зависимостей между площадями поперечного сечения выпусков стакана, площадью поперечного сечения центральной расточки, площадями поперечных сечений центральной расточки после уменьшения и коэффициентом выпуска металла.
На фиг.7(а), 7(b), и 7(с) воспроизведены чертежи, приложенные к патенту США No.4,949,778 и относящиеся к первому варианту, предложенному в этом патенте. В этом патенте предлагается уменьшать площадь поперечного сечения центральной расточки стакана за счет уменьшения диаметра центральной расточки, или, другими словами, за счет уменьшения площади поперечного сечения центральной расточки во всех радиальных или горизонтальных направлениях вокруг вертикальной центральной оси центральной расточки. Это уменьшение создает выступающую поверхность, которая идет по всей окружности или по всему периметру центральной расточки и образует расточку ниже выступа, которая уже во всех радиальных направлениях, чем расточка над выступом. Таким образом, в соответствии с указаниями этого патента, нижние выпуски ограничены по ширине за счет уменьшения расточки, так что верхние выпуски шире, чем нижние выпуски, причем в соответствии с математическими зависимостями и другими патентными указаниями, нижние выпуски должны иметь большую высоту, чем ширину.
Было обнаружено, что стаканы, изготовленные в соответствии с указаниями, которые содержатся в патенте США No.4,949,778, имеют множество недостатков. Нижние выпуски имеют высокий вертикальный коэффициент формы, то есть их высота больше, чем их ширина, и поэтому выходные струи не полностью используют открытую площадь нижних боковых выпусков, причем скорости на выходе из стакана в нижних участках выходных струй являются неоднородными, причем эти скорости существенно выше, чем скорости на выходе из стакана в верхних участках выходных струй. Наличие круговой выступающей поверхности, которая идет вокруг всего периметра центральной расточки стакана, вызывает не контролируемое вращение и завихрение верхних выходных струй, которые вытекают из верхних выпусков. Другим недостатком является то, что, в случае множественного уменьшения центральной расточки, самые верхние выпуски близко приближаются к поверхности или мениску жидкого металла в кристаллизаторе, что повышает уровень флуктуации и турбулентности у мениска.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание погружного выпускного разливочного стакана, предназначенного для использования при непрерывной разливке жидкого металла, причем стакан содержит корпус, имеющий центральную расточку, проходящую через большую часть корпуса, при этом расточка заканчивается закрытым концом, множество пар спускных выпусков, симметрично расположенных относительно продольной оси стакана, причем стакан отличается тем, что площадь поперечного сечения центральной расточки уменьшается между парами спускных выпусков, при этом отношение высоты к ширине любого выпуска равно единице или меньше.
Другой задачей настоящего изобретения является создание погружного выпускного разливочного стакана, предназначенного для использования при непрерывной разливке жидкого металла, причем стакан содержит корпус, имеющий центральную расточку, проходящую через большую часть корпуса, при этом расточка заканчивается закрытым концом, множество пар спускных выпусков, симметрично расположенных относительно продольной оси стакана, причем стакан отличается тем, что площадь поперечного сечения центральной расточки уменьшается между парами спускных выпусков, при этом ширина выпусков ближе к закрытому концу стакана равна ширине выпусков дальше от закрытого конца стакана.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показаны традиционный разливочный стакан и схема разливки.
На фиг.2 показано поперечное сечение традиционного разливочного стакана.
На фиг.3 показано поперечное сечение другого традиционного разливочного стакана.
На фиг.4 показано поперечное сечение еще одного традиционного разливочного стакана.
На фиг.5 показано поперечное сечение еще одного традиционного разливочного стакана.
На фиг.6 показано поперечное сечение еще одного традиционного разливочного стакана.
На фиг.7а показан вид в перспективе еще одного традиционного разливочного стакана.
На фиг.7b показано поперечное сечение традиционного разливочного стакана, показанного на фиг.7b.
На фиг.7 с показан вид с торца разливочного стакана, показанного на фиг.7а.
На фиг.8а показано поперечное сечение разливочного стакана в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения.
На фиг.8b показан разрез по линии 8b-8b разливочного стакана, показанного на фиг.8а.
На фиг.9 показано поперечное сечение разливочного стакана, показанного на фиг.8а.
На фиг.10а показано поперечное сечение разливочного стакана в соответствии с альтернативным вариантом настоящего изобретения.
На фиг.10b показан разрез по линии 10b-10b разливочного стакана, показанного на фиг.10а.
На фиг.11 показано поперечное сечение разливочного стакана, показанного на фиг.10а.
На фиг.12 показано поперечное сечение еще одного традиционного разливочного стакана.
На фиг.13а показано поперечное сечение разливочного стакана в соответствии с другим альтернативным вариантом настоящего изобретения.
На фиг.13b показано поперечное сечение разливочного стакана, показанного на фиг.13а.
Описание предпочтительных вариантов изобретения
На фиг.8 и 9 показан первый вариант разливочного стакана 2. Этот вариант стакана в соответствии с настоящим изобретением содержит одну противоположную пару верхних боковых выпусков 30 и одну противоположную пару нижних боковых выпусков 32. В соответствии с этим вариантом проектный (расчетный) угол поворота α от вертикали вверх до горизонтали верхних выпусков составляет 90 градусов, также как и проектный угол поворота β нижних выпусков 32. Каждый верхний выпуск 30 определен верхней кромкой 22 и нижней кромкой 24. Центральная расточка 26 разливочного стакана 20 сужена в боковом направлении нижними кромками 24 верхних выпусков 30. Боковое сужение образовано внедрением только нижних кромок 24 верхних выпусков 30 в центральную расточку 26 и поэтому боковое открытие центральной расточки 26 над верхними кромками 22 верхних выпусков 30 больше, чем боковое открытие центральной расточки 26 у нижних кромок 24 верхних выпусков 30.
Нижние выпуски 32 расположены ниже сужения и выше донной крышки 36. Боковое сужение не имеет форму круговой выступающей поверхности, которая идет вокруг всего периметра центральной расточки 26 стакана 20. Как это показано на фиг.9, боковое сужение только уменьшает боковое открытие центральной расточки 26 и, следовательно, размер отверстия центральной расточки 26 под углом 90 градусов к боковому сужению остается неизменным. Проектные углы поворота α и β верхних и нижних выпусков 30, 32 не обязательно должны быть равны 90 градусов. Кроме того, проектные углы поворота α и β верхних и нижних выпусков 30, 32 могут отличаться друг от друга. В любом случае проектные углы поворота α и β могут лежать в диапазоне от 30 до 105 градусов, при измерении от вертикали вверх к горизонтали, для того, чтобы стакан 20 имел множество выходных струй (потоков), повернутых почти горизонтально относительно вертикальной центральной расточки 26.
Ширина нижних боковых выпусков 32 преимущественно не уменьшена по отношению к ширине верхних боковых выпусков 30, а высота боковых выпусков 30, 32 преимущественно меньше, чем ширина боковых выпусков 30, 32. Полная площадь поперечного сечения (открытая площадь) боковых выпусков 30, 32 преимущественно меньше, чем удвоенная площадь поперечного сечения центральной расточки 26 стакана 26 над выпусками 30, 32, и преимущественно больше, чем (одинарная) площадь поперечного сечения центральной расточки 26 стакана 20 над выпусками 30, 32. Стакан 20, который имеет желательный поворот потока почти к горизонтали, обеспечивает лучшее заполнение выпусков выходными струями. Это препятствует закупориванию и позволяет создать более однородные скорости выходных струй и более стабильные и лучше контролируемые выходные струи с существенно уменьшенными вращениями и завихрениями. В результате получают более желательный и постоянный режим течения в кристаллизаторе.
В альтернативных вариантах достигнутые углы поворота выходных струй контролируют за счет углов нижних кромок выпусков относительно вертикальной центральной оси расточки, причем может быть использовано множество углов поворота и множество сужений. На фиг.10 и 11 показан вариант разливочного стакана в соответствии с настоящим изобретением. Стакан 50 содержит две противоположные пары верхних боковых выпусков 60, 64, расположенных друг над другом, и одну противоположную пару нижних боковых выпусков 62 внизу. В этом варианте проектный угол поворота от вертикали в направлении горизонтали для самых верхних выпусков 60 составляет 90 градусов, проектный угол поворота для средних верхних выпусков составляет 75 градусов, в то время как проектный угол поворота для нижних выпусков 62 составляет 60 градусов.
Каждый верхний выпуск 60 задан при помощи верхней кромки 72 и нижней кромки 74. Центральная расточка 66 разливочного стакана 50 сужена только в одном боковом направлении при помощи нижних кромок 74 верхних выпусков 60, 64. Каждое боковое сужение образовано за счет внедрения нижних кромок 74 верхних выпусков 60 в центральную расточку 66, и поэтому боковое открытие центральной расточки 66 над верхней кромкой 72 верхнего выпуска 60 больше, чем боковое открытие центральной расточки 66 у нижней кромки 74 того же самого верхнего выпуска 60. Этот вариант изобретения содержит два сужения. Начав с бокового открытия центральной расточки 66 у верхней кромки 72 самого верхнего выпуска 60 и двигаясь вниз в направлении потока через центральную расточку 66, можно видеть, что только боковое открытие центральной расточки 66 уменьшается ступенчатым образом при каждом последовательном сужении. Боковые сужения не принимают форму круговых выступающих поверхностей, которые идут вокруг всего периметра центральной расточки 66 стакана 50.
Как уже обсуждалось здесь выше для предшествующего варианта, боковые сужения только уменьшают боковые открытия центральной расточки 66, и поэтому размер отверстия (площадь поперечного сечения) центральной расточки 66 под углом 90 градусов к боковым выпускам 60, 62, 64 остается неизменным. Самые нижние выпуски 62 расположены ниже самого нижнего сужения и выше донной крышки 76. Ширина бокового выпуска 62, 64 преимущественно не уменьшена по отношению к ширине соответствующего расположенного выше бокового выпуска 60, 62, причем высота боковых выпусков 60, 62, 64 преимущественно меньше, чем ширина боковых выпусков 60, 62, 64. Полная площадь поперечного сечения боковых выпусков 60, 62, 64 преимущественно меньше, чем удвоенная площадь поперечного сечения центральной расточки 66 стакана 50 над выпусками 60, 62, 64, и больше (одинарной) площади поперечного сечения центральной расточки 66 стакана 50 над выпусками 60, 62, 64.
На фиг.13а и 13b показан альтернативный вариант настоящего изобретения. Разливочный стакан 90 имеет конфигурацию, аналогичную предложенной в описанных здесь выше вариантах. Однако боковые сужения 98, которые уменьшают площадь поперечного сечения центральной расточки 92, не идут полностью вокруг центральной расточки 92. Для того чтобы обеспечить желательные характеристики потока, ширина бокового выпуска 97 не должна быть больше половины диаметра центральной расточки 92.
В соответствии с настоящим изобретением, по меньшей мере одно боковое сужение центральной расточки 66 разливочного стакана 50 (фиг.10, 11) образовано за счет внедрения в центральную расточку 66 нижней кромки 74 верхнего выпуска 60, над нижним выпуском 62, 64 стакана 50, и над донной крышкой 76 стакана 50. Дно 76 стакана 50 должно быть в основном закрыто, чтобы стабилизировать противодавление в жидком металле, протекающем через стакан 50, причем по меньшей мере одно боковое сужение используют для поворота некоторых участков потока, чтобы образовать верхнюю выходную струю, в то время как остальной поток главным образом поворачивают при помощи донной крышки 76, чтобы образовать нижнюю выходную струю. Это последовательное разделение и поворот потока в стакане 50 в соответствии с настоящим изобретением приводит к тому, что расход и скорость жидкого металла, вытекающего из каждого выпуска, а также углы выпуска выходных струй испытывают существенно меньшую флуктуацию по сравнению с традиционными стаканами. Боковое сужение не принимает форму круговой выступающей поверхности, которая идет вокруг всего периметра центральной расточки 66 стакана 50. Вместо этого, боковое сужение только уменьшает боковое открытие центральной расточки 66, причем размер отверстия центральной расточки под углом 90 градусов к боковому сужению не изменяется за счет сужения в соответствии с настоящим изобретением. Таким образом, не требуется уменьшения ширины нижних боковых выпусков по отношению к ширине верхних боковых выпусков, и допустимы низкие вертикальные коэффициенты формы боковых выпусков. Вертикальный коэффициент формы бокового выпуска определен как отношение высоты выпуска к ширине выпуска. Все боковые выпуски преимущественно имеют вертикальные коэффициенты формы меньше, чем единица. Было обнаружено, что низкие вертикальные коэффициенты формы боковых выпусков очень хорошо стабилизируют выходные струи, что позволяет получить лучшее, по сравнению с традиционными стаканами, заполнение выпусков, препятствующее закупориванию, получить более однородные скорости выходных струй, существенно уменьшенное вращение и завихрение выходных струй, и удивительно постоянный режим течения в кристаллизаторе, с меньшей турбулентностью. Разливочный стакан в соответствии с настоящим изобретением, с низкими вертикальными коэффициентами формы выпусков и с полной площадью поперечного сечения боковых выпусков меньше, чем удвоенная и больше, чем одинарная площадь поперечного сечения центральной расточки над выпусками, позволяет обеспечить хорошее приближение самых верхних выпусков к мениску, и поэтому даже больше, чем два сужения могут быть использованы без риска разрыва мениска.
В стаканах в соответствии с настоящим изобретением множество почти горизонтальных верхних и нижних выходных струй с углами поворота от 55 до 105 градусов от вертикали в направлении горизонтали могут быть получены легко и устойчиво. Практически полученные углы поворота более близко совпадают с проектными углами поворота, по сравнению с традиционными стаканами. Легко могут быть получены различные стабильные углы поворота верхних выходных струй и нижних выходных струй, также как и более определенное и стабильное разделение потока на множество верхних и нижних выходных струй. Это позволяет осуществить в высшей степени диффузное, но все еще близкое к горизонтальному введение жидкого металла в кристаллизатор для отливки плоской заготовки, что является крайне желательным для повышения производительности разливки и преодоления недостатков известного уровня техники.
За счет регулирования степени бокового сужения можно управлять пропорцией потока жидкого металла, который выходит из стакана через верхний выпуск, нижняя кромка которого выступает в центральную расточку и образует сужение. Степень бокового сужения определяется отношением площади поперечного сечения центральной расточки в горизонтальной плоскости сужения к площади поперечного сечения в горизонтальной плоскости над сужением. Таким образом, проектировщик может регулировать с большей уверенностью и простотой по сравнению с традиционными стаканами пропорции полного потока, выходящие из стакана в соответствии с настоящим изобретением через каждый верхний боковой выпуск.
Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены различные изменения и дополнения, которые не выходят за рамки формулы изобретения.