РАЗЛИВОЧНЫЙ СТАКАН
POURING SHELL

Данное изобретение относится к разливочному стакану для направления расплавленного металла, например расплавленной стали. В частности, изобретение относится к так называемым погружным разливочным стаканам, иногда называемым литейными стаканами, используемым в процессе непрерывной разливки производимой стали. Изобретение относится также к использованию разливочного стакана при разливке стали.
При непрерывной разливке стали расплавленный металл из ковша выливают в массивную емкость, известную как промежуточный ковш. Промежуточный ковш имеет один или несколько выходов, через которые расплавленный металл вытекает в одну или несколько соответствующих литейных форм (кристаллизаторов), в которых расплавленная сталь охлаждается и затвердевает с образованием непрерывного литого участка затвердевшего металла. Соответствующий разливочный стакан, или погружной литейный стакан, расположен между промежуточным ковшом и каждой литейной формой и направляет расплавленную сталь, протекающую через него, из промежуточного ковша в литейную форму (литейные формы). Разливочный стакан выполнен обычно в виде удлиненного канала, то есть жесткой трубки или трубы.
Основные функции такого разливочного стакана состоят в следующем. Во-первых, разливочный стакан служит для предотвращения вхождения расплавленной стали в контакт с воздухом при ее прохождении из промежуточного ковша в литейную форму, поскольку воздух приводит к окислению стали, что нежелательно. Во-вторых, очень желательно, чтобы разливочный стакан обеспечивал подачу расплавленной стали в литейную форму по возможности плавно и без завихрений, поскольку турбулизация в литейной форме вызывает втягивание вниз флюса с поверхности расплавленной стали в сталь (известное как «увлечение»), что приводит к примесям в отливаемой стали. Завихрение в литейной форме также приводит к разрушению смазки на сторонах литейной формы. Одной из функций флюса (наряду с предотвращением контакта поверхности стали с воздухом) является смазка сторон литейной формы для предотвращения прилипания к ним стали при затвердевании. Флюс помогает также предотвращать образование дефектов поверхности отливаемой стальной заготовки. Поэтому минимизация завихрения (турбулизации) с помощью погружного разливочного стакана является важной также для этой цели. Дополнительно к этому, завихрение может вызывать напряжения в самой литейной форме, что создает опасность повреждения литейной формы. Кроме того, завихрение в литейной форме может также вызывать неравномерное распределение тепла в литейной форме, вызывая, следовательно, неравномерное затвердевание стали и вызывая также изменения в качестве и составе отливаемой стальной заготовки. Эта последняя проблема также относится к третьей функции погружного входного разливочного стакана, который должен вводить расплавленный металл в литейную форму равномерно с целью обеспечения равномерного образования затвердевшей оболочки (сталь затвердевает наиболее быстро в зонах, наиболее близких к стенкам литейной формы) и равномерного качества и состава отливаемой стальной заготовки. Четвертая функция идеального погружного разливочного стакана состоит в уменьшении или исключении возникновения колебаний в стоячей волне в мениске стали в литейной форме. Ввод расплавленной стали в литейную форму обычно создает стоячую волну на поверхности стали, и любые неравномерности или колебания в потоке стали, входящей в литейную форму, вызывают колебания в стоячей волне. Такие колебания могут иметь действие, аналогичное действию завихрения в литейной форме, вызывая увлечение литейного флюса в отливаемую сталь, разрушая эффективную смазку сторон литейной формы флюсом и отрицательно влияя на распределение тепла в литейной форме.
Понятно, что конструирование и изготовление погружаемого входного разливочного стакана, который возможно лучше выполняет все указанные выше функции, является экстремально трудным делом. Разливочный стакан не только должен быть сконструирован и изготовлен для выдерживания усилий и температур, связанных с быстро протекающим расплавленным металлом, но и необходимость подавления завихрения в комбинации с необходимостью равномерного распределения расплавленного металла в литейной форме создает экстремально сложные гидродинамические проблемы.
В международной заявке на патент WO02/43904 настоящего заявителя раскрыт погружной разливочный стакан, который имеет два нижних боковых выхода, наклоненных к центральной оси канала, проходящего через разливочный стакан. Между упомянутыми выходами имеется структура, задающая резервуар и с помощью разделителя задающая два нижних выхода. Противоположные внутренние боковые стенки относительно нижних выходов являются расходящимися вниз.
Задачей данного изобретения является создание разливочного стакана, который имеет улучшенные рабочие характеристики по сравнению с указанным выше разливочным стаканом, согласно уровню техники.
Согласно первому аспекту данного изобретения предлагается разливочный стакан для направления расплавленного металла, текущего из ковша в литейную форму, при этом разливочный стакан содержит канал, который удлинен вдоль оси, которая ориентирована вертикально во время использования, при этом разливочный стакан имеет, по меньшей мере, один верхний вход и на своем нижнем конце - две расположенные на расстоянии друг от друга перегородки, при этом соответствующие наружные стенки перегородок образуют два нижних выхода, а соответствующие внутренние стенки перегородок образуют, по меньшей мере, часть, по меньшей мере, одного выходного канала для потока, расположенного между ними, и каждая внутренняя стенка, по меньшей мере, частично изогнута вогнутым образом и расположена так, что создается сходящийся поток из указанного выходного канала или каналов для потока.
Нижние выходы предпочтительно наклонены к указанной оси под углом, более предпочтительно меньшим 90°.
Предпочтительно, обе перегородки проходят от уровня края разливочного стакана.
Соответствующие наружные стенки перегородок желательно изогнуты выпуклым образом.
Обычно, по меньшей мере, один разделитель или рассекатель потока расположен между указанными расположенными на расстоянии друг от друга перегородками. В одном варианте выполнения предусмотрен единственный разделитель потока по центру между перегородками, и соответствующие противоположные стороны разделителя потока являются прямыми с относительным расхождением в направлении края разливочного стакана. Предпочтительно, разделитель потока проходит от уровня указанного края.
Высота разделителя потока может быть такой, что он заканчивается ниже уровня, до которого проходят перегородки, однако особенно предпочтительно, если разделитель потока проходит выше уровня, до которого проходят перегородки. Это приводит к выходу расплавленного металла из разливочного стакана с занятием всей площади выхода и может обеспечивать улучшение на 15-20% по сравнению с расположением, в котором используется указанный более короткий разделитель.
Более предпочтительно, при окончании разделителя потока выше или ниже верхнего уровня перегородок в нем может быть предусмотрена неоднородность. Он может быть выполнен в виде непрерывного вертикального канала в одной или обеих стенках разделителя потока, обращенных к перегородкам. В качестве альтернативного решения, неоднородность может быть выполнена в виде прерывистого канала, щели, впадины, выступа, канавки, выреза или любой прерывистости в одной или обеих стенках разделителя потока, обращенных к перегородкам. Когда неоднородность выполнена в виде выемки, такой как вырез или щель, предусмотренные в обеих стенках, неоднородность может образовывать канал или отверстие через разделитель потока.
Было установлено, что при наличии соответствующих непрерывных каналов в этих стенках пограничный слой изменяется, создавая поток текучей среды, который более близко следует форме выхода.
Кроме того, вместо или дополнительно к предусмотрению таких неоднородностей в разделителе (разделителях) потока, они могут быть предусмотрены в одной или обеих обращенных внутрь стенках перегородок, и даже, возможно, в одной или обеих указанных наружных стенках перегородок.
Согласно другому аспекту данного изобретения предлагается разливочный стакан для направления расплавленного металла, текущего из ковша в литейную форму, при этом разливочный стакан содержит канал, который удлинен вдоль оси, которая ориентирована вертикально во время использования, при этом разливочный стакан имеет, по меньшей мере, один верхний вход и, по меньшей мере, один нижний боковой выход, при этом, по меньшей мере, одна из любых поверхностей разливочного стакана на уровне или ниже уровня самого верха нижнего бокового выхода, которые предназначены для направления расплавленного металла при использовании, имеет одну или несколько неоднородностей, предусмотренных в ней.
Из указанного выше понятно, что когда предусмотрены перегородки, неоднородности могут быть во внутренней и/или наружной стенке перегородок. Когда предусмотрен разделитель потока, то неоднородности могут быть в одной или обеих противоположных боковых стенках разделителя. Разделитель можно использовать без перегородок, однако, когда они предусмотрены, разделитель может заканчиваться выше или ниже их верхнего уровня.
Неоднородности могут быть предусмотрены в нижнем боковом выходе или во всех нижних боковых выходах, и когда нижняя стенка нижнего бокового выхода задана стенкой перегородки или разделителя, то эта нижняя стенка может быть образована с неоднородностями. Верхняя стенка нижнего бокового выхода может быть образована, в качестве альтернативного решения, с указанными возмущениями дополнительно или вместо указанной его нижней стенки.
Неоднородности могут быть выполнены так же, как в указанном первом аспекте, т.е. в виде каналов (непрерывных или прерывистых), щелей, канавок, вырезок, ямок, выступов или любой другой неравномерности.
Таким образом, неоднородности могут быть предусмотрены в любой поверхности на уровне или ниже уровня самого верха бокового выхода разливочного стакана, т.е. исключая неоднородности в центральном проточном отверстии выше указанного уровня.
Ниже приводится в качестве примера подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - продольный разрез разливочного стакана согласно одному варианту выполнения данного изобретения;
фиг.2 - часть разливочного стакана согласно второму варианту выполнения с центральным разделителем потока;
фиг.3 - часть разливочного стакана согласно третьему варианту выполнения, аналогичная показанной на фиг.2, но в увеличенном масштабе;
фиг.4 - часть разливочного стакана согласно третьему варианту выполнения, аналогичная показанной на фиг.3;
фиг.5-7 - другая форма разделителя потока, показанного на фиг.4, соответственно, на виде спереди, сбоку и снизу;
фиг.8 - разливочный стакан согласно другому аспекту данного изобретения с примерами рельефов в его поверхностях; и
фиг.9 и 10 - виды по стрелкам А и В на фиг.8 соответственно.
На фиг.1 показан разливочный стакан 10 согласно одному варианту выполнения изобретения, при этом разливочный стакан содержит канал 11, который удлинен вдоль оси, которая ориентирована по существу вертикально во время использования. Разливочный стакан имеет верхний вход 12, два нижних выхода 13, 14, которые наклонены к упомянутой оси, и нижний выход 15, который расположен в основном в осевом направлении между наклонными нижними выходами 13, 14.
Разливочный стакан 10 содержит по существу три секции. Верхняя секция 16 разливочного стакана имеет форму по существу имеющей круглое поперечное сечение трубы, заканчивающейся на своем самом верхнем крае в отверстии 12. Под верхней секцией 16 средняя секция 17 расширяется наружу в плоскости, параллельной оси разливочного стакана, и сплюснута в перпендикулярной плоскости. Под средней секцией 17 находится нижняя секция 18, содержащая наклонные выходы 13, 14 и осевой выход 15.
Аналогично средней секции 17 нижняя секция 18 сплюснута в указанной перпендикулярной плоскости и также расширяется наружу. На противоположных сторонах края разливочного стакана образованы, соответственно, две перегородки 19, 20, при этом перегородки проходят по всей ширине канала в направлении указанной перпендикулярной плоскости.
В соответствии с этим и как показано на фиг.1, наклонные выходы 13, 14 заданы, соответственно, между расширяющимися боковыми стенками разливочного стакана в указанной нижней секции 18 и соответствующими наружными стенками 21, 22 перегородок 19, 20. В показанном на фиг.1 примере эти наружные стенки изогнуты выпуклым образом вниз к соответствующим открытым концам выходов 13, 14, от которых эти наружные стенки перегородок являются прямыми, проходя в качестве боковых стенок разливочного стакана вниз к нижнему краю разливочного стакана, на котором перегородки заканчиваются. Как показано на фиг.1, перегородки образованы с соответствующими внутренними стенками 23, 24, которые изогнуты вогнутым образом, при этом каждая внутренняя стенка проходит от нижнего края перегородки вверх до ее изогнутой вершины, у которой заканчивается выпуклая наружная стенка перегородки. Как показано на фиг.1, вершина имеет радиус кривизны, однако в другом варианте выполнения эта вершина может быть выполнена в виде острого конца или плоской поверхности. Таким образом, нижний осевой выход 15 задан между соответствующими обращенными друг к другу внутренними стенками 23, 24 перегородок 19, 20.
При использовании разливочный стакан 10, согласно фиг.1, расположен между промежуточным ковшом и литейной формой и служит для направления расплавленного металла, текущего через него, из промежуточного ковша в литейную форму. Таким образом, сталь входит в верхний вход 12 и протекает вниз через верхнюю секцию 16 и среднюю секцию 17 разливочного стакана. Когда поток стали достигает нижней секции 18, то он встречает перегородки 19, 20, сначала их верхние вершины, и в результате сталь вытекает через наклонные выходы 13, 14 соответственно, при этом остаток потока выходит из нижнего края разливочного стакана через нижнее осевое отверстие 15, образованное между соответствующими внутренними стенками 23, 24 перегородок 19, 20. Поскольку эти внутренние стенки изогнуты выпуклым образом и расположены, как показано на фиг.1, то сталь «сжимается», так что сталь, покидающая разливочный стакан и входящая в литейную форму, не рассеивается, как это бы было, если бы, например, нижние внутренние поверхности перегородок относительно конвергировались.
Что касается точного позиционирования и расположения каждой перегородки, понятно, что желательно, чтобы они были одинаковыми, т.е. чтобы имелась симметричная конфигурация относительно нижней секции 18. Можно видеть, что в показанном на фиг.1 варианте выполнения нижний край внутренней стенки перегородки расположен слегка снаружи верхнего края внутренней стенки, т.е. верхнего края у указанной вершины, так что расстояние между соответствующими верхними краями перегородок меньше расстояния между нижними краями перегородок, если эти расстояния измерять от соответствующих внутренних стенок перегородок. Однако понятно, что более важным фактором, влияющим на вытекание потока металла, является то, что внутренние стенки изогнуты вогнутым образом. Однако следует понимать, что эта вогнутая кривизна не обязательно должна проходить по всей каждой внутренней стенке, так что вогнутая кривизна может быть в каждом случае лишь на части указанной стенки.
На фиг.2 схематично показана нижняя секция другой формы разливочного стакана согласно данному изобретению. Однако она является схожей с показанной на фиг.1 нижней секцией, и общие части обозначены теми же позициями, что и на фиг.1. В соответствии с этим, можно видеть, что вариант выполнения, показанный на фиг.2, имеет перегородки 19, 20, расположенные идентично с показанным на фиг.1 вариантом выполнения, при этом соответствующие наклонные выходы 13, 14 расположены над наружными стенками 21, 22 указанных перегородок. Действительно, единственное изменение по сравнению с нижней секцией, показанной на фиг.1, состоит в том, что между перегородками 19, 20, проходящими вверх от уровня нижнего края разливочного стакана, находится центральный разделитель 25 потока. Разделитель 25 потока, так же как перегородки 19, 20, проходит по всей ширине канала. Разделитель потока имеет плоскую нижнюю поверхность 26, расположенную на уровне края разливочного стакана, в то время как его по существу прямые противоположные боковые стенки 27, 28 соответственно сходятся вверх с образованием скругленной верхней вершины 29. Центральная продольная ось разливочного стакана проходит через центр указанного разделителя потока, который, таким образом, расположен на центральной оси посредине между соответствующими внутренними стенками 23, 24 перегородок. В соответствии с этим, образуются два одинаковых в основном осевых выхода 30, 31 у соответствующих противоположных сторон разделителя потока, при этом выход 30 образован между внутренней стенкой 23 перегородки и боковой стенкой 27 разделителя, в то время как осевой выход 31 образован между внутренней стенкой 24 перегородки 20 и боковой стенкой 28 разделителя потока.
Аналогично расположению, показанному на фиг.1, происходит сжимание потока стали за счет изогнутых вогнутым образом внутренних стенок 23, 24 перегородок, так что при наличии центрального разделителя потоки, выходящие из осевых выходов 30, 31, сжаты и сходятся.
На фиг.3 показан еще один вариант выполнения изобретения, при этом эта фигура схожа с фиг.2, с изображением лишь нижней секции 18 литейного разливочного стакана. Идентичные части снова обозначены одинаковыми позициями. Действительно, единственное отличие от расположения, показанного на фиг.2, относится к конфигурации перегородок, обозначенных здесь позициями 19а, 20а. Как показано на фиг.3, в то время как соответствующие внутренние стенки 23а, 24а перегородок все еще изогнуты вогнутым образом, они в действительности больше отклонены назад относительно продольной центральной оси разливочного стакана, так что в противоположность расположению в первом и втором вариантах выполнения, где расстояние между верхними вершинами меньше расстояния между соответствующими нижними краями внутренних стенок 23, 24, в показанном на фиг.3 варианте выполнения наблюдается обратное, а именно, расстояние между соответствующими верхними краями внутренних стенок 23а, 24а больше расстояния между соответствующими нижними краями внутренних стенок 23а, 24а. Можно видеть, что это обусловлено тем, что линия, параллельная продольной центральной оси разливочного стакана, проходящая через нижний край внутренней стенки перегородки, лежит внутри соответствующей линии, проходящей через верхний край внутренней стенки перегородки. Однако считается, что это расположение обеспечивает преимущества, указанные относительно первого и второго вариантов выполнения, показанных, соответственно, на фиг.1 и 2.
Относительно указанных выше вариантов выполнения следует отметить, что там, где предусмотрен центральный разделитель потока, он проходит вверх от края канала до уровня, который значительно ниже уровня, на котором расположены соответствующие вершины перегородок. Однако в варианте выполнения, показанном на фиг.4, которая отлична от фиг.3, центральный разделитель потока, обозначенный здесь позицией 32, проходит далеко за уровень, на котором расположены соответствующие вершины перегородок. Центральный разделитель 32 потока имеет нижнее плоское основание 33 по существу на уровне края канала 11 и прямые сходящиеся вверх противоположные боковые стенки 34, 35, соответственно, при этом эти боковые стенки сходятся на верхней плоской вершине 36.
Было установлено, что предусмотрение центрального разделителя 32 потока позволяет управлять пограничным слоем, и что он должен обычно превышать примерно на 1 см верх перегородок. Такая конструкция приводит к выходу расплавленного металла из разливочного стакана с занятием всей площади выхода, а это обеспечивает улучшение по сравнению с конструкцией, показанной на фиг.2 и 3, соответственно.
На фиг.5-7 показана другая форма центрального разделителя потока, обозначенного позицией 37. Хотя первично предусматривалось, что этот разделитель 37 потока заменит разделитель 32 потока, т.е. он будет проходить выше верхнего уровня перегородок в разливочном стакане, однако он может при необходимости заменять разделитель потока 25, который проходит лишь до уровня ниже верхнего уровня перегородок. Разделитель 37 потока имеет форму, аналогичную форме разделителя 32 потока тем, что имеет плоское основание 38 и противоположные, сходящиеся боковые стенки 39, 40, соответственно, при этом верхнее соединение 41 этих боковых стенок имеет радиус кривизны с образованием вершины разделителя потока. Как показано на виде сбоку на фиг.6, в изображенном варианте выполнения передняя и задняя стороны 42, 43, соответственно, расходятся вверх от основания 38, так что ширина вершины больше ширины основания. Как показано на фиг.7, в боковой стенке 39, 40 образованы неоднородности в виде центральных прямоугольных каналов 44, 45, соответственно, при этом эти каналы проходят по всей высоте разделителя. За счет образования этих каналов изменяется пограничный слой, что приводит к более близкому следованию потока текучей среды форме выхода.
Вместо неоднородностей в виде непрерывного вертикального канала в одной или обеих боковых стенках перегородок упомянутые неоднородности могут быть выполнены в виде прерывистого канала, щелей, канавок, вырезов или любых других неравномерностей в одной или обеих стенках разделителя потока, обращенных к перегородкам. В частности, поперечное сечение элемента неоднородности может быть не прямоугольным, как показано, а вместо этого, например, неоднородность может быть выполнена в виде ямок. Кроме того, вместо или дополнительно к предусмотрению таких неоднородностей в разделителе (разделителях) потока, такие неоднородности могут быть предусмотрены в одной или обеих обращенных друг к другу внутренних стенках перегородок. Что касается соответствующих наружных стенок перегородок, то они не обязательно должны иметь изогнутую выпуклым образом форму, а могут быть прямыми или иметь любую другую подходящую форму. Кроме того, возможно предусмотрение в одной или обеих указанных наружных стенках перегородок неравномерностей, таких как были описаны применительно к разделителю 37 потока.
С помощью всех указанных вариантов выполнения данного изобретения создается сходящийся поток из нижнего выхода или выходов. С помощью математического моделирования было показано, что данное изобретение создает сходящийся выходной поток. В частности, с помощью изучения линий прохождения в литейной форме было установлено, что разливочный стакан согласно данному изобретению обеспечивает схождение потока текучей среды так, что поток остается сконцентрированным на глубине в литейной форме, пока не отмечаются завихрения линий потока. С помощью разливочных стаканов, согласно уровню техники, пытаются рассеивать поток, так что эквивалентные линии прохождения показывают распространение и рассеяние потока текучей среды из нижнего выхода (выходов).
Вместо неоднородностей, предусмотренных в связи с изогнутыми вогнутым образом внутренними стенками перегородок разливочного стакана, могут быть предусмотрены рельеф или рельефы в любой поверхности разливочного стакана, которые предназначены, при использовании, для направления расплавленного металла, протекающего через разливочный стакан, при условии, что такая поверхность находится на уровне или ниже верхнего края нижнего бокового выхода. Таким образом, поверхности в центральном проточном отверстии выше верхнего края нижнего бокового выхода не относятся к этому дополнительному аспекту изобретения.
На фиг.8 показана форма нижнего конца альтернативного (с двумя выходами) разливочного стакана 46 с неоднородностями различного вида в четырех показанных направляющих поток поверхностях 47-50.
Разливочный стакан имеет пару противоположно направленных, наклоненных вниз боковых выходов 51, 52. Дно внутренней структуры разливочного стакана выполнено в виде частично конической поверхности с ее вершиной на центральной оси разливочного стакана. В соответствии с этим, каждый выход имеет свою верхнюю поверхность, заданную нижним концом стенки разливочного стакана, задающей центральный проточный канал, и свою нижнюю поверхность, заданную наклонной поверхностью внутренней конической структуры на дне разливочного стакана. Выход 51 имеет свои верхнюю и нижнюю поверхности, обозначенные позициями 54, 55 соответственно, в то время как выход 52 имеет верхнюю и нижнюю поверхности 56, 57 соответственно.
Как показано на фиг.8 и 9, поверхность 54 снабжена неоднородностями в виде V-образных канавок 54а, в то время как поверхность 56 снабжена вогнутыми ямками 56а. Нижняя поверхность 55 выхода 51 выполнена с V-образной канавкой 55а с плоским внутренним основанием, в то время как поверхность 57 выхода 52 выполнена с канавкой 57а полукруглого поперечного сечения. Приведены лишь примеры типов неравномерностей/неоднородностей и примеры направляющих поток поверхностей разливочного стакана, на которых они применимы. Как указывалось выше, предусмотрение неоднородностей изменяет пограничный слой с образованием потока текучей среды, который следует более близко форме выхода. Таким образом, улучшается использование выхода, и кинетическая энергия расплавленного металла рассеивается внутри разливочного стакана, а не снаружи его, за счет уменьшения влияния пограничных условий.