具有动态稳定性的浸入式水口的制作方法

专利名称：具有动态稳定性的浸入式水口的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种耐火物品，特别涉及一种用于在连续铸造操作中输送熔融金属的耐火浇注管。
背景技术：
在金属特别是钢铁的连续铸造中，熔融金属流一般经由耐火浇注管从第一冶金容器输送到第二冶金容器或者模具。这种浇注管通常被称作水口或管套之类，其具有适于输送熔融金属的孔。浇注管包括浸入式水口(SEN)或浸入式管套(SES)，这种浸入式水口或管套在接收容器或模具的液面以下排出熔融金属。
液态金属从孔的下游端经由一个或多个排出口排出。浇注管的一个重要功能是将熔融金属流畅且稳定地排出而没有停止或中断。流畅而稳定的排出有利于加工，并能提高成品的质量。为了便于进一步加工，浇注管的第二个重要功能是在接收容器或模具中的金属液内形成适当的动态状态。适当的动态状态的生成要求浇注管具有多个出口，这些出口的设置应使得熔融金属流在从浇注管排出时在一个或多个方向上转向。
扰乱流畅而稳定排出的因素包括物理条件和动态条件，它们导致了在孔和出口内的熔融金属的不对称流动特性。金属流速度分布和流线的不对称性可以起因于，例如，(a)孔和出口的不适当设计；(b)上游流速控制装置的存在和(c)孔和出口内结渣物的不均匀堵塞。即使不存在这些因素，孔内的紊流仍然可以引起动态流动不对称现象。例如，在流经孔时，熔融金属流会形成在孔中心线附近的流速高于沿孔侧壁的流速，或中心线一端的流速低于相对的另一端，或偏离中心线处的流速更高。这些不同的流速在流出孔时可以引起脉动和过度紊流，从而使加工变得复杂并且降低了成品质量。象柱塞杆或滑门阀这样的节流装置可以部分阻断孔入口，并使得熔融金属流偏离中心线地进入孔。金属流能够优先流向孔的一侧，并不对称或不均匀地流出浇注管从而在铸模内引起过度波动和紊流。排出液流的脉动、波动、紊流和不对称性会因排出口的如此布置而加剧，该布置使得液流在被排出管道前转向。接近排出口处的液流的不对称现象能引起通过该排出口排出的转向流的不稳定旋转和旋涡，因而导致排放方向的不稳定性，引起接收容器内的流型不稳定性，从而接收容器内出现不希望的动态条件。
沉淀物或非金属堆积物也可能阻塞或限制孔，从而扰乱熔融金属稳定排出管道。在熔融钢水中，沉淀物或非金属堆积物主要由氧化铝和其它高熔点杂质组成。氧化铝沉积物可导致限制和阻塞从而停止或严重阻碍液态钢水的平滑和稳定流动。非对称不均匀金属流能导致结渣沉积物优选地点的出现，并加重流动的不均匀性。管道可以用氧气枪清除；但是吹氧会扰乱铸造工序，降低耐火材料寿命，以及降低铸造效率和生产的钢质量。因沉淀物造成的孔全部或大部分阻塞降低了浇注管的预期寿命且价格昂贵并耗费钢材生产者的时间。
现有技术中试图改善流动的方法包括化学和机械方法。例如，可以通过减少氧化铝沉淀以及随后的结渣来改善流动。现有技术喷射气体从而向浇注管施压并减少氧化铝结渣。遗憾的是，气体喷射需要大量气体，使耐火材料的设计复杂化，而且并不是总有效的解决方法。气体也可能溶解或被夹杂在金属内，引起金属质量问题，这些些问题包括钢材内的气孔或疏松缺陷。替换为气体喷射或与之结合的方法，现有技术是将孔衬上一层宣称可以防止氧化铝堆积的耐火组成物。组成物包括低熔点耐火材料，例如CaO-MgO-Al2O3低共熔混合物、锆酸钙和硅化钙，当氧化铝沉积在表面时上述组成物会脱落。这些组成物在高温时易裂，并且在浇铸过程中可能脱水和损耗。基于这些原因，它们的使用寿命是有限的。另一些宣称能抑制氧化铝沉积的表面组成物包括含有SiAlON-石墨、金属二硼化物、氮化硼、氮化铝和无碳复合物的耐火材料。这样的耐火材料会很昂贵、不实用而且制造时既有危险又费时。
用于改善流动的机械设计包括Heaslip等的美国专利US5,785,880，它讲解了一种具有扩散几何结构的浇注管，能够将熔融金属流平滑地输送到铸模。另一设计包括专利EP0765702B1，它描述了孔内的一多孔阻挡物，其使液流从优选的轨迹偏转。这两种参考方式都试图通过机械操纵熔融金属流来控制熔融金属导入铸模。但是两者都没有述及氧化铝结渣和减少氧化铝结渣的方法。
现有技术也包含有声称通过减少孔内氧化铝沉积物来改善流动的设计。这些设计包括带有锥形和“阶梯形”孔的浇注管。Frykendahl的美国专利US4,566,614讲解了一种惰性气体喷射嘴，其带有用来在气流中减少“脉动”的锥形孔。更平滑的气体流入孔据说可减少结渣。“阶梯形”设计包括具有孔直径不连贯变化的浇注管。阶梯形设计也包括具有螺旋状孔的浇注管。日本的Kokai61-72361阐释了阶梯形浇注管，并描述了一种带有孔的浇注管，该孔中至少具有一个凸形或凹形部分用以在熔融金属中产生紊流。与层流相比，紊流据说可减少氧化铝结渣。Nanbo等的美国专利US5,328,064讲解了一种带有多个凹形部分的孔，该凹形部分被具有恒定直径d的阶梯分开。每个部分的直径都大于d，该部分直径优选沿流动方向减小。阶梯被描述为产生紊流来减少氧化铝结渣。
Heaslip的专利US6425505讲解了一种包括多个流畅连接的部分的浇注管，这些连接部分改善了流经孔的熔融金属的流动。该部分可减少熔融金属流的不对称流动和沉积物阻塞孔的可能性。每个部分包括会聚部分和发散部分。会聚部分使液流向孔中心偏转，而发散部分使液流发散。会聚和发散部分的结合在浇注管中产生更对称的流动。
试图控制孔内熔融金属流的现有技术对控制来自浇注管排出口的不稳定流动作用很小。排出口会在流出物中引起不稳定流型。来自浇注管的不稳定流进入铸模会增大弯液面形紊流和波动。这样的流动也可以引起流出物在铸模中漂移并使铸模中的流型产生偏差。此外，不稳定流出可在浇注管内较低区域引起氧化铝结渣，包括在管道凹处底部和端口部较低的角落。通常结渣将从浇注管产生不对称的流出。
一直要求耐火浇注管能产生稳定流出和减小弯液面紊流、波动、不对称流型和氧化铝结渣。理想的情况，这种浇注管也能够改善进入铸模的熔融金属流并改善浇铸金属的性能。

发明内容
本发明涉及一种用于浇铸熔融金属的浇注管。该浇注管包括至少一个排出口，而且相对于现有技术来说，该浇注管可提供一种通过排出口或排出口中更稳定、均匀的熔融金属流出物。改善后的流出物减少了弯月形紊流和波动，减少了氧化铝结渣并促进了对称性流出物。这些优点可使得生产出改进的制成品。
从总体上讲，该产品包括具有排出口形状的浇注管，该排出口的形状可以降低流动的不稳定性并由此生成更稳定的流出物。这种形状减少了在浇注管的流出物中常见的不稳定的往复旋转流型。这种流型被认为至少部分是由铸模内流动的不稳定性以及低质量的铸造产生的。
一个方面，本发明包括一种排出口，该排出口能在液流经过出口并排进模具时稳定并控制液流的旋转或回转。大规模旋转及由此产生的接近出口的宽度或高度的回转流的周围被对抗并因而减少。排出流的不稳定的和不受控制的大规模旋转被认为会在模具或接收容器中产生的流型中引起更多的漂移和不稳定性。排出口包括多个槽，这些凹槽会在熔融金属中产生一致的反向回转流，并对抗在单一方向上液流的大规模旋转或者从一个方向到相对方向振动的大规模液流旋转。来自浇注管的流出物内的稳定反向回转流提供了使熔融金属更多的扩散、更均匀以及更少紊流的排放，并由此在接收容器内提供了一种更一致的流型。
来自浇注管的流出物可在模具内形成一上部循环回路部分。该上部循环回路最接近模具的上部表面并影响例如顶表面波动和弯月形紊流。该来自本发明排出口的流出物可将熔融金属导向至模具的表面而不产生过多的弯月形紊流或模具水平面的波动。在模具内的热分布也可得到改善。在模具内的整个流型变得更加稳定。
在第一实施例中，排出口在其下游边缘具有一舌状物。该舌状物和下游边缘在排出口的下部拐角处限定了多个槽。这些槽的存在对抗了排出流的大规模的旋转并在来自浇注管的流出物中促进小规模反向回转流的形成。包括舌状物的排出口改变了排出口内以及浇注管出口区域内的压力和流特征，因此氧化铝结渣和不对称液流得以减少。
在第二实施例中，排出口在其上游边缘具有一舌状物。该舌状物和上游边缘在排出口的上部拐角处限定了多个槽。这些槽的存在对抗了流出物中的大规模旋转。大规模旋转是不希望产生的，因为这种旋转本身不稳定并通常具有偶然方向转变，而且这种旋转会在排出流中并继而在模具中产生不一致的排出方向以及不稳定的动态行为。
在第三实施例中，排出口在其上游和下游边缘都具有舌状物。包括上游和下游舌状物的排出口促使在流出物中稳定的反向回转流的形成，同时具有极好的对称性以及小并可控制的规模。
通过以下对使用本发明优选方法的说明，本发明的其他细节、目的和优点将会更加清楚。


图1表明了本发明浇注管的第一实施例的三维视图。
图2表明了本发明浇注管的第一实施例在垂直于排出口方向上的视图。
图3表明了现有技术中浇注管在垂直于排出口和偶然不稳定流型的方向上的视图。
图4表明了含有反向回转流型的本发明浇注管的第一实施例的视图。
图5表明了限定了舌状物的设计参数的本发明浇注管的第一实施例的视图。
图6表明了本发明浇注管的第一实施例的剖视图，其横向限定了槽和舌状物的排出角度。
图7表明了本发明浇注管的第二实施例在垂直于排出口方向上的视图。
图8表明了本发明浇注管的第二实施例在垂直于含有反向回转流型的排出口方向上的视图。
图9表明了本发明浇注管的第三实施例在垂直于排出口方向上的视图。
具体实施例方式
本发明包括一种在熔融金属连续铸造中使用的浇注管。该浇注管包括一个与至少一排出口流体连通的孔。浇注管指的是用于给熔融金属流导向的管套(shroud)、喷嘴(nozzle)以及其他耐火件，包括例如浸入式管套(entry shroud)和喷嘴。本发明特别适合那种具有一排出口的浇注管，排出口在一个例如模具的接收容器中的金属液面下输送熔融金属。
图1和图2表明了浇注管1的另一透视图。浇注管1包括通过孔13流体连通的入口11和排出口12。浇注管1允许熔融金属流从入口11处的上游端流经孔并到达排出口12的下游端。排出口12由从浇注管的外表面到孔13、贯穿浇注管1的孔的周边来限定。排出口12的边缘包括下游表面21。排出口的边缘可以是任何适宜的通常形状，包括但不限于椭圆形、多边形或者其任何组合。排出口的通常形状较适宜的为基本上矩形。在一个实施例中，排出口12由下游表面21、上游表面22以及连接上游表面和下游表面的侧表面23加以限定。至少一个舌状物24从下游表面21或上游表面22伸出。舌状物24、下游表面21和侧表面23限定了多个槽状开口25。
图3表明了带有入口11和排出口12的现有技术中的浇注管2。在熔融金属的浇铸过程中，熔融金属的向下液流31的至少一部分动能要转化为带有角动量的回转流出物32。剩余的动能使得金属流从排出口以高速射流排出。回转流出物32以如图所示的逆时针方向旋转，但在现在技术的浇注管中所产生的流出物的旋转方向是不稳定的，而且表现为旋转方向的偶尔转变。依据向下液流31中的动量分布的不对称程度，流出物的旋转规模与排出口的宽度、高度或直径相当。在现有技术的浇注管中产生的流出物的大规模的不稳定旋转和高速喷射导致紊流、表面波动、流型不稳定性以及模具的受热不均。此外若这些问题混合在一起，回转流32则会在排出口12内产生流分离。流分离与能够阻碍排出口处的流出物的氧化铝结渣相关。高速喷射和大规模回转流的联合作用产生了不稳定流出物，这样会在模具内产生振动和漂移。现有技术的排出口未能克服这些缺陷。
相反，如图4所示，本发明的排出口12改变了熔融金属的向下液流31的方向使其至少部分地通过槽25。槽将向下液流31的至少一部分动能转化为至少两个反向回转流41，从而对抗这种流出物中单个的大规模旋转回路的形成。反向回转流41的角动量基本上消除了，从而来自排出口12的流出物几乎没有或者没有净角动量。同时，由于排出流在整个排出口12时分布更加均匀，从而排出流的动能以及由此产生的排出流的速度也大大地减小了。反向回转流41使得流出物的速度大大地降低而且流出物中的旋转、旋涡或涡流得以抑制。流出物更好地扩散而且能够更接近所述表面而不会产生表面波动或紊流。更好地扩散的流出物将在模具中产生更好的热分布。此外，在排出口12中的流分离以及伴随而来的氧化铝结渣的现象也减少了。氧化铝结渣中所固有的流动不稳定性可以基本上得以避免。
舌状物应有足够大的尺寸来限定槽，该槽能在流出物中产生反向回转流。参见图5，舌状物24具有宽度(w1)51和高度(h1)52。与排出口12的宽度(W)53和高度(H)54相比，舌状物的宽度51一般应至少约为排出口宽度53的八分之一。舌状物的高度52也一般至少约为排出口12的高度54的八分之一。很显然，增加舌状物的尺寸能够减小排出口的总体排出面积，从而减少浇注管内可能产生的流出物，所以舌状物一般都会尽可能地小以产生反向回转流。铸造条件包括熔融金属的等级、铸造温度、模具的几何形状、流出量、浇注管的大小以及排出口的大小，这些条件将影响到舌状物的尺寸。
参见图6，舌状物和与之相关的槽被设计成能将排出流方向改变为理想的角度。孔13的纵轴线61与通过孔的向下金属流的大致方向对准。垂直轴线63与纵轴线61成直角并通常沿中心通过排出口。远离边缘的舌状物的表面被限定为延伸表面64，并且该舌状物表面设置为与垂直轴线63成一夹角α1。槽的下游表面65设置为与垂直轴线63成一夹角α2。可以选择α1和α2的角度以使得部分排出流转向理想的排出角度。本领域中的技术人员都知道，理想的排出角度取决于铸造条件，比如熔融金属的等级、铸造温度、模具的几何形状、流出量、浇注管的大小以及排出口的大小。一般α1和α2的角度范围是从-45度到+45度。
图7表明了本发明浇注管的第二实施例。浇注管1包括通过通流(through-flow)孔13流体连通的入口11和排出口12。浇注管适于将熔融金属流从上游端的入口11经过孔输送到包括排出口12的下游端。排出口12由上游表面22、下游表面21以及连接上游表面和下游表面的侧表面23加以限定。排出口可以是任何适宜的通常形状，包括但不限于椭圆形、多边形或者其任何组合。排出口的通常形状较适宜地基本为矩形。至少一个舌状物24从上游表面22向下游延伸。舌状物24、上游表面22以及侧表面23限定了多个槽状开口25。
如图8所示，本发明的排出口12改变了熔融金属的向下液流31的方向使其至少部分地通过槽25。通过在排出流中单个的大规模的旋转回路的相对形成，槽25将旋转流32的至少一部分动能转化为反向回转流41。反向回转流41的角动量大大地减小了来自排出口12的流出物的角动量。流出物中大规模的旋转、旋涡或涡流得以抑制，并且流出物更对称、更多的扩散而且可以更加靠近模具或接收容器的顶部而不产生过多的表面波动或紊流。此外，在排出口12中的分流以及氧化铝结渣中固有的流动的不稳定性可基本得以避免，从而相关的氧化铝结渣也会减少。
图9表明了本发明浇注管的第三实施例。浇注管1包括通过通流孔13流体连通的入口11以及排出口12。浇注管1适于将熔融金属流从上游端的入口11经过孔输送到包括排出口12的下游端。排出口12由上游表面22、下游表面21以及连接上游表面和下游表面的侧表面23加以限定。排出口可以是任何适宜的通常形状，包括但不限于椭圆形、多边形或者其任何组合。排出口的通常形状较适宜的基本为矩形。至少一个下部舌状物91从下游表面21向上游延伸和至少一个上部舌状物92从上游表面22向下游延伸。下部舌状物91、上部舌状物92、下游表面21、上游表面22以及侧表面23限定了多个槽状开口25。从浇注管1排出的熔融金属至少部分经过槽25，同时有小规模高稳定性的反向回转流形成。
很显然，对于本发明的多种修改和变化都是可能的。有利的是，本发明可以与现有技术中的孔形状相结合，例如包括不连续部或“阶梯”的孔，或者包括截锥部分的孔。因此，可以理解在随后的权利要求所限定的范围内，本发明可以其他方式加以实施而不仅仅是具体说明的方式。
权利要求
1.一种用于从上游位置向下游位置浇铸熔融金属流的浇注管(1)，该浇注管包括限定孔(13)的内表面以及具有至少一排出口(12)的外表面，该排出口至少部分由一边缘限定并与孔流体连通，排出口的特征在于，至少一个舌状物(24)从一边缘延伸，由此在排出口中形成至少两个槽(25)。
2.如权利要求1所述的浇注管，其特征在于，排出口包括下游边缘(21)和从下游边缘向上游延伸的舌状物。
3.如权利要求1所述的浇注管，其特征在于，排出口包括上游边缘(22)和从上游边缘向下游延伸的舌状物。
4.如权利要求1所述的浇注管，其特征在于，排出口包括从上游边缘(22)向下游延伸的上部舌状物(92)和从下游边缘(21)向上游延伸的下部舌状物(91)。
5.如权利要求1-4中任一所述的浇注管，其特征在于，浇注管包括位于上游位置和下游位置之间的纵轴线(61)。
6.如权利要求5所述的浇注管，其特征在于，至少一个舌状物包括延伸表面(64)，该延伸表面限定一舌状物平面，该平面与纵轴线以-45度到+45度相交。
7.如权利要求5和6中任一所述的浇注管，其特征在于，至少一个边缘，该边缘包括限定一边缘平面的边缘表面，该边缘平面与纵轴线以-45度到+45度相交。
8.如权利要求5-7中任一所述的浇注管，其特征在于，排出口限定了一与纵轴线基本平行的排出平面。
9.如权利要求1-8中任一所述的浇注管，其特征在于，孔包括多个流体连通的部分。
10.如权利要求9所述的浇注管，其特征在于，中断部将每个部分分隔。
11.如权利要求9和10中任一所述的浇注管，其特征在于，所述部分包括至少一个截锥形部分。
12.一种使用如权利要求1-11中任一所述的浇注管浇铸熔融金属流的方法，其特征在于a)使金属流流经孔；b)将金属流朝排出口引导；c)当金属流经过排出口时在金属流中产生对称的反向回转流。
全文摘要
本发明涉及一种用于浇铸熔融金属的浇注管。该浇注管适于减少紊流和模具的扰动，由此生成更加稳定、均匀的流出物。该浇注管包括排出口，该排出口具有至少一个舌状物，从而在舌状物两侧提供至少两个槽。该槽可生成反向回转流，该反向回转流将会导致更多的扩散以及更均匀的流出物。这种流出物可以很方便地减少浇注管中不利的不对称现象以及氧化铝结渣。
文档编号B22D11/00GK1761543SQ200480007093
公开日2006年4月19日 申请日期2004年3月9日 优先权日2003年3月17日
发明者徐东, 劳伦斯·希斯利普, 约翰·里绍, 詹姆斯·多里科特 申请人:维苏维尤斯·克鲁斯布公司