СИСТЕМА СТОПОРНОГО СТЕРЖНЯ
STOPPER SYSTEM

Область техники
Настоящее изобретение, в целом, имеет отношение к созданию устройства для регулирования скорости потока металла из резервуара, который содержит жидкий металл. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к созданию усовершенствованной системы стопорного стержня.
Уровень техники
При обработке расплавленного или жидкого металла, например стали, поток жидкого металла направляют из металлургического резервуара, такого как ковш, в разливочное устройство. Жидкий металл затем направляют через разливочное устройство в литейную форму. На дне разливочного устройства или в непосредственной близости от него контролируют течение (поток) жидкого металла из разливочного устройства и его поступление в литейную форму. Обычно поток контролируют с использованием системы стопорного стержня.
Система стопорного стержня включает в себя подвижный стопорный стержень и стакан. Стакан имеет расточенное отверстие, через которое может протекать жидкий металл. Течение жидкого металла из разливочного устройства через расточенное отверстие стакана происходит под действием силы тяжести (самотеком). Стопорный стержень имеет конец или носовую часть, погруженную в жидкий металл, которая совпадает с входным участком расточенного отверстия стакана, так что если носовую часть стопорного стержня ввести в контакт с стаканом, то расточенное отверстие стакана блокируется, и поток жидкого металла прекращается. Когда носовую часть стопорного стержня выводят из контакта с стаканом, образуется отверстие между носовой частью стопорного стержня и расточенным отверстием стакана, что позволяет жидкому металлу вытекать из резервуара через расточенное отверстие стакана. За счет точного движения стопорного стержня контролируют скорость течения (расход) жидкого металла, поддерживая малое расстояние между носовой частью стопорного стержня и расточенным отверстием стакана. При этом за счет регулирования размера отверстия регулируют расход жидкого металла. В частности, настоящее изобретение имеет отношение к выбору формы носовой части стопорного стержня и/или к выбору формы поверхности стакана.
Одной из проблем традиционных систем стопорных стержней является прерывание или ограничение течения жидкого металла за счет отложения и скопления неметаллических материалов на носовой части стопорного стержня и/или на поверхности расточенного отверстия стакана. Это отложение создает трудности в надлежащем регулировании потока жидкого металла. В результате накопления закупоривающих отложений не удается поддерживать желательную скорость жидкого металла, что ведет к преждевременному прекращению процесса. Кроме того, поток металла может неожиданно прорываться, если часть закупоривающих отложений отделяется и уносится потоком металла. Плохое регулирование потока жидкого металла за счет закупоривания приводит к дефектам качества металлических продуктов. В известных ранее системах стопорных стержней уже была сделана попытка решения этой проблемы закупоривания с использованием геометрии с неровностями (углублениями) или за счет введения газа в поток металла через пористый элемент в носовой части стопорного стержня. Примеры таких известных систем стопорных стержней раскрыты в патенте Японии № 62089566-24/04/87 и в патенте США № 5071043.
Однако использование неровных (шероховатых) поверхностей, как это предлагается в патенте Японии № 62089566, ухудшает регулирование потока металла, так как размер отверстия не является точной функцией разделения (расстояния) между расточенным отверстием стакана и носовой частью стопорного стержня. Эта геометрия с неровностями также создает проблемы уплотнения между носовой частью стопорного стержня и расточенным отверстием стакана, когда необходимо запирать поток металла, так как выемки на неровных поверхностях, которые обтекает поток жидкого металла, позволяют захватывать жидкий металл, где он может застывать и образовывать пробки.
В патенте США № 5071043 предлагается использовать пористую носовую часть стопорного стержня, чтобы позволить вводить пузырьки инертного газа, такого как аргон, в поток металла. Введение газа помогает уменьшить закупоривание за счет создания пузырьков, к которым преимущественно могут прикрепляться неметаллические частицы, имеющиеся в жидком металле, в результате чего уменьшается накопление материала на носовой части стопорного стержня или на поверхности расточенного отверстия стакана. Однако введение газа через носовую часть стопорного стержня обычно не позволяет получить однородное распределение газовых пузырьков по всему объему металла, протекающего через отверстие. Газ протекает по пути наименьшего сопротивления и может поступать в жидкий металл и образовывать пузырьки только на одной стороне отверстия или только в некоторых частях потока металла. Когда это происходит, получают асимметричное закупоривание, что ведет к неравномерному течению через отверстие и, в свою очередь, к плохому регулированию потока металла.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков известных систем стопорных стержней путем изменения конструкции носовой части стопорного стержня и расточенного отверстия стакана, что позволяет контролировать степень (масштаб) и местоположение турбулентности в потоке металла. Предложенная конструкция позволяет уменьшить образование закупоривающих отложений и улучшает распределение газовых пузырьков в потоке металла, когда газ вводят в систему.
Сущность изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается система стопорного стержня для использования в металлургическом резервуаре. Система стопорного стержня содержит стопорный стержень, имеющий носовую часть на одном своем конце, и стакан, имеющий сквозное расточенное отверстие, причем расточенное отверстие имеет внутреннюю поверхность. Носовая часть стопорного стержня и внутренняя поверхность расточенного отверстия стакана имеют точку контакта, когда система стопорного стержня находится в закрытом положении. По меньшей мере только носовая часть стопорного стержня или только внутренняя поверхность расточенного отверстия стакана содержит множество неровностей, которые расположены таким образом, что размер канала течения между носовой частью стопорного стержня и внутренней поверхностью расточенного отверстия стакана, когда система стопорного стержня находится в открытом положении, дискретно увеличивается в функции расстояния ниже по течению от точки контакта.
В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения предлагается стопорный стержень, предназначенный для использования в системе стопорного стержня. Система стопорного стержня содержит стопорный стержень, имеющий носовую часть на одном своем конце, и стакан, имеющий сквозное расточенное отверстие, причем расточенное отверстие имеет внутреннюю поверхность. Носовая часть стопорного стержня и внутренняя поверхность расточенного отверстия стакана имеют точку контакта, когда система стопорного стержня находится в закрытом положении. Носовая часть стопорного стержня содержит множество неровностей, которые расположены таким образом, что размер канала течения между носовой частью стопорного стержня и внутренней поверхностью расточенного отверстия стакана, когда система стопорного стержня находится в открытом положении, дискретно увеличивается в функции расстояния ниже по течению от точки контакта.
В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения предлагается стакан для использования в системе стопорного стержня. Система стопорного стержня содержит стопорный стержень, имеющий носовую часть на одном своем конце, и стакан, имеющий сквозное расточенное отверстие, причем расточенное отверстие имеет внутреннюю поверхность. Носовая часть стопорного стержня и внутренняя поверхность расточенного отверстия стакана имеют точку контакта, когда система стопорного стержня находится в закрытом положении. Стакан содержит множество неровностей, которые расположены таким образом, что размер канала течения между носовой частью стопорного стержня и внутренней поверхностью расточенного отверстия стакана, когда система стопорного стержня находится в открытом положении, дискретно возрастает в функции расстояния ниже по течению от точки контакта.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано поперечное сечение типичного разливочного устройства, которое используют при разливке жидкого металла.
На фиг.2 показано поперечное сечение традиционных систем стопорного стержня.
На фиг.3 показано поперечное сечение локализованного режима течения в традиционной системе стопорного стержня.
На фиг.4 показано поперечное сечение локализованного режима течения в системе, раскрытой в патенте Японии № 62089566-24/04/87.
На фиг.5 показано поперечное сечение системы стопорного стержня в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.
На фиг.6 показано поперечное сечение локализованного режима течения в системе стопорного стержня фиг.5.
На фиг.7 показано поперечное сечение системы стопорного стержня в соответствии с альтернативным вариантом настоящего изобретения.
На фиг.8 показано поперечное сечение системы стопорного стержня в соответствии с другим альтернативным вариантом настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов изобретения
На фиг.1 показана традиционная конфигурация разливочного устройства. В разливочном устройстве 1, стопорный стержень 2, имеющий центральную ось 6, совмещенную с центральной осью 5 стакана (разливочного стакана) 3, используют для регулирования потока жидкого металла через отверстие 4.
На фиг.2 показаны различные альтернативные геометрические конфигурации традиционных систем стопорных стержней. Стопорный стержень 7 имеет круглую или полукруглую носовую часть, которая сопрягается с закругленной входной поверхностью 8 расточенного отверстия стакана. Альтернативно, стопорный стержень 9 имеет заостренную или коническую носовую часть, которая сопрягается с клиновидной или конической входной поверхностью 10 расточенного отверстия стакана. Альтернативно, стопорный стержень 11 может иметь носовую часть, образованную сопряжением множества радиусов, или пулевидную носовую часть.
На фиг.3 показана крупным планом зона регулирования в традиционной конфигурации системы, такой как одна из показанных на фиг.2. Носовая часть 12 стопорного стержня расположена относительно расточенного отверстия 13 стакана таким образом, что образуется отверстие 15, которое регулирует поток жидкого металла, показанный линиями 14 обтекания. Отверстие 15 лежит вдоль линии наименьшего расстояния между носовой частью 12 стопорного стержня и расточенным отверстием 13 стакана. Ниже по течению от отверстия 15 линии обтекания могут отделяться (отходить) от носовой части стопорного стержня 12 и расточенного отверстия 13 стакана, что вызывает образование неуправляемых турбулентных завихрений, показанных стрелками 16. Турбулентные завихрения образуются в области потока жидкости, расположенной ниже по течению от отверстия 15, в непосредственной близости от поверхности носовой части 12 стопорного стержня или от внутренней поверхности расточенного отверстия 13 стакана. Турбулентные завихрения могут появляться и исчезать в этих двух областях неконтролируемым и непредсказуемым образом. Размер или масштаб турбулентных завихрений также меняется во времени. Изменения размера и расположения турбулентных завихрений, возникающих в потоке ниже по течению от минимального отверстия, могут влиять на регулирование потока, вызывая изменение расхода даже при фиксированном положении стопорного стержня и, следовательно, при фиксированном размере отверстия.
На фиг.4 показана неровная поверхность, раскрытая в патенте Японии № 62089566. Как это показано на фиг.4, поверхность 17 носовой части стопорного стержня имеет множество выемок 19. Для пояснения на фиг.4 приведена только поверхность 17 стопорного стержня, имеющая выемки, несмотря на то, что в указанной ссылке указано, что расточенное отверстие стакана также может иметь неровную поверхность с аналогичными выемками. Так что для пояснения на фиг. 4 поверхность 18 расточенного отверстия стакана показана гладкой.
Линия 20 является касательной к общей кривизне поверхности 17 носовой части стопорного стержня, соединяется с этой поверхностью у отверстия и идет в общем направлении течения металла ниже по течению от отверстия. Линии 21, 22, 23, 24, 25 и 26 представляют собой примеры линий, перпендикулярных к линии 20 и последовательно удаляющихся от отверстия. Длины различных линий пропорциональны размеру канала течения, который образуется ниже по течению от отверстия. Ясно, что размер канала течения не увеличивается гладким образом (линейно) в направлении ниже по течению, когда возрастает его положение вдоль линии 20. В самом деле размер канала течения быстро увеличивается на входе в каждую выемку и затем уменьшается в более нижней (находящейся ниже по течению) секции каждой выемки. Например, линия 22 длиннее, чем линия 21, линия 23 длиннее, чем линия 22, но линия 24 короче, чем линия 23, и линия 25 короче, чем линия 24. Линия 26 длиннее, чем линия 25, так как положение ниже по течению приближается к следующей выемке.
Используемый в описании настоящего изобретения и в формуле изобретения термин "канал течения", когда его используют в связи со стопорным стержнем, обозначает область между носовой частью стопорного стержня и линией, касательной к носовой части стопорного стержня и параллельной направлению потока жидкого металла в точке контакта между носовой частью стопорного стержня и внутренней поверхностью расточенного отверстия стакана. Аналогично, используемый в описании настоящего изобретения и в формуле изобретения термин "канал течения", когда его используют в связи с стаканом, обозначает область между внутренней поверхностью расточенного отверстия стакана и линией, касательной к внутренней поверхности расточенного отверстия стакана и параллельной направлению потока жидкого металла в точке контакта между носовой частью стопорного стержня и внутренней поверхностью расточенного отверстия стакана.
Следует иметь в виду, что размер канала течения растет в том месте, где неровная поверхность имеет выемку, так как в нее может затекать поток жидкого металла. Затекание в выемку позволяет захватывать жидкий металл, что приводит к большему времени пребывания в выемке захваченного жидкого металла по сравнению с временем пребывания протекающего рядом с выемкой жидкого металла. Кроме того, захваченный жидкий металл может застывать в выемках, что вызывает закупоривание потока жидкого металла. Эта геометрия с неровностями также создает проблемы уплотнения между носовой частью стопорного стержня и расточенным отверстием стакана, когда необходимо запирать поток металла.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 5, на которой показан один из вариантов системы в соответствии с настоящим изобретением. Носовая часть 42 стопорного стержня и выход 43 расточенного отверстия стакана показаны в закрытом положении. В точке 44 контакта линия 45 является касательной к поверхности носовой части стопорного стержня и идет в направлении ниже по течению от точки контакта. Изменение расстояния между касательной 45 и носовой частью стопорного стержня 42 ниже по течению от точки 45 контакта показано линиями, перпендикулярными к касательной 45. Линии 47, 48, 49 и 50 представляют собой серии таких перпендикулярных линий с последовательным увеличением расстояния от точки 44. Эти линии показывают, что в этом варианте настоящего изобретения поверхность носовой части 42 стопорного стержня содержит множество впадин или неровностей («ряби»). Неровности имеют такую форму, что образуется канал течения между касательной и носовой частью стопорного стержня 42, размер которого постепенно возрастает, однако ступенчатым или дискретным образом по мере того, как расстояние ниже по течению от точки 44 контакта возрастает.
Когда носовая часть 42 стопорного стержня выходит из контакта с расточенным отверстием 43 стакана, образуется отверстие в области точки 44 контакта, причем размер канала течения между касательной и носовой частью стопорного стержня увеличивается дискретным образом по мере того, как расстояние ниже по течению от отверстия возрастает. Например, если сравнить линии 47 и 48 с линиями 48 и 49, то линия 48 длиннее, чем линия 47, в то время как линия 49 только слегка длиннее, чем линия 47, или имеет такую же длину. Таким образом, различие по длине между линиями 48 и 47 немного больше, чем различие по длине между линиями 49 и 48. Таким образом, неровности поверхности носовой части 42 стопорного стержня вызывают дискретное увеличение размера канала течения.
Следует иметь в виду, что размер канала течения не возрастает точно в функции расстояния ниже по течению от отверстия. Вместо этого размер канала течения ниже по течению от отверстия возрастает шагово (ступенчато, дискретным образом). В предпочтительной конфигурации первое небольшое увеличение размера (в функции расстояния от точки 44 контакта) в непосредственной близости от точки 44 контакта используют для обеспечения хорошего закрывания системы стопорного стержня. Затем преимущественно следует большое увеличение, за которым следует небольшое увеличение или даже отсутствие увеличения, за которым опять следует большое увеличение, за которым следует небольшое увеличение или отсутствие увеличения, и т.д.
На фиг. 6 показана область регулирования в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения. Имеющая неровности носовая часть стопорного стержня 56 расположена относительно расточенного отверстия 62 стакана так, чтобы образовать отверстие в области 51, позволяющее регулировать поток жидкого металла, показанный линиями обтекания. Отверстие лежит вдоль линии наибольшей близости между носовой частью 56 стопорного стержня и расточенным отверстием 62 стакана. Ниже по течению от отверстия линии обтекания отделяются от поверхностей носовой части 56 стопорного стержня и образуют контролируемые турбулентные завихрения, показанные стрелками 54, 55 и 60. Ниже по течению от точки 53 расстояние между касательной 52 и поверхностью носовой части стопорного стержня быстро возрастает в первом шаге, заставляя поток отделяться от носовой части стопорного стержня и создавать первую область турбулентных завихрений, как это показано стрелкой 54. Аналогично, другие области турбулентных завихрений образуются ниже по течению в других шагах, когда расстояние между касательной 52 и поверхностью носовой части стопорного стержня быстро возрастает, как это показано стрелками 55 и 60. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением расположение и масштаб областей турбулентных завихрений контролируются (задаются) расположением и глубиной неровностей.
В этом варианте изобретения недостатки предыдущих систем стопорных стержней скорректированы за счет использования системы стопорного стержня с уникальной конструкцией носовой части стопорного стержня, которая контролирует масштаб и расположение турбулентности в потоке металла. Контролируемая турбулентность снижает скорость образования закупоривающих отложений на носовой части стопорного стержня за счет непрерывного удаления (сдувания) неметаллических частиц. Дополнительно, если газ вводят в систему через носовую часть стопорного стержня, контролируемая турбулентность в непосредственной близости от поверхности носовой части стопорного стержня равномерно распределяет газовые пузырьки вокруг носовой части стопорного стержня, что дополнительно тормозит любое образование закупоривающих отложений.
На фиг.7 показан еще один альтернативный вариант настоящего изобретения. В этом варианте поверхность расточенного отверстия 71 стакана имеет неровности, так что образуется канал течения между касательной и расточенным отверстием 71 стакана, размер которого постепенно возрастает дискретным образом (ступенчато) по мере того, как расстояние ниже по течению от точки 57 контакта возрастает. Это дискретное увеличение размера канала течения аналогично описанному здесь выше со ссылкой на фиг.5-6.
У точки контакта 57 между носовой частью стопорного стержня 70 и расточенным отверстием 71 стакана проведена касательная 58 к поверхности расточенного отверстия 71 стакана, которая идет ниже по течению от точки контакта. Неровная форма расточенного отверстия 71 стакана приводит к тому, что размер канала течения между касательной и расточенным отверстием 71 стакана не возрастает точно в функции расстояния ниже по течению от точки 57 контакта. Вместо этого размер канала течения возрастает в ряде шагов по мере того, как возрастает расстояние ниже по течению от отверстия, причем первое небольшое увеличение размера в непосредственной близости от точки контакта используют для обеспечения хорошего закрывания. Затем следует большое увеличение, за которым следует небольшое увеличение или даже отсутствие увеличения, за которым опять следует большое увеличение, за которым следует небольшое увеличение или отсутствие увеличения, и т.д. Это приводит к образованию областей турбулентных завихрений в канале течения в непосредственной близости от поверхности расточенного отверстия стакана ниже по течению, в ряде шагов, где расстояние между касательной и поверхностью расточенного отверстия стакана быстро возрастает. За счет этого система стопорного стержня в соответствии с этим вариантом настоящего изобретения контролирует расположение и масштаб турбулентных завихрений.
На фиг.8 показан другой вариант настоящего изобретения, в котором как носовая часть 81 стопорного стержня, так и расточенное отверстие 83 стакана имеют неровности. В этом варианте, как уже было описано здесь выше со ссылкой на предыдущие варианты, размер канала течения между касательной к расточенному отверстию стакана и поверхностью расточенного отверстия стакана и размер канала течения между касательной к носовой части стопорного стержня и поверхностью носовой части стопорного стержня последовательно возрастает ступенчатым образом ниже по течению от отверстия. Это позволяет контролировать турбулентность в потоке жидкого металла как в непосредственной близости от поверхности расточенного отверстия стакана, так и в непосредственной близости от поверхности носовой части стопорного стержня ниже по течению от отверстия.
Несмотря на то что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за рамки формулы изобретения.