Изобретение относится к погружному подающему трубопроводу для непрерывного литья тонких слябов, и в частности к погружному разливочному стакану для направления наилучшим возможным образом без турбулентности или завихрений расплавленного металла или сплава из ковша, в котором поддерживается почти постоянный напор, к уровню ниже мениска сляба, формируемого в охлаждающем кристаллизаторе, в котором сляб принимает форму посредством кристаллизации (затвердевания).
Уровень техники
Известны тонкие слябы, формируемые с помощью четырех вертикальных стенок кристаллизатора, которые расположены по существу вертикально и образуют горизонтальное поперечное сечение с двумя сторонами превалирующей длины относительно двух других сторон. Известно также, что для ввода подаваемого сверху из резервуара расплавленного металла, и особенно стали, во внутреннее пространство кристаллизатора используется соединительный трубопровод, называемый "погружным", так как его нижнее устье погружено в ванну расплава внутри кристаллизатора и, насколько возможно, приспособлено к его узкому размеру с тем, чтобы выдерживалось достаточное расстояние от охлаждающих стенок. Поэтому в оборудовании для литья тонких слябов обычно используются погружные трубопроводы, имеющие в своей нижней части горизонтальное поперечное сечение прямоугольной, многоугольной или эллиптической формы с выпускными направляющими поверхностями, направленными к узким сторонам (кристаллизатора) и/или вниз.
Погружной трубопровод указанного типа описан, в частности, в DE 4122447. Данный трубопровод для гравитационной подачи расплавленного металла или сплава из ковша, имеющего почти постоянный напор, в сляб включает участок вертикальной верхней трубы, сообщающийся с расположенным сверху ковшом и внизу со сплющенной распределительной частью, т.е. диффузором, внутри которого установлен рассекатель.
Рассекатель в известном погружном трубопроводе служит только для образования, в сочетании с внутренними стенками диффузора, двух раздельных каналов, заканчивающихся выпускными отверстиями на нижнем конце диффузора, которые открыты под поверхностью сляба в процессе его формирования на заданном расстоянии от стенок кристаллизатора. Стенки указанных каналов взаимно параллельны, так что каналы имеют постоянное сечение по своей длине.
Данный и другие известные из уровня техники погружные трубопроводы не решают разнообразных типичных для данной технологии проблем, обусловленных различными причинами, которые широко описаны в литературе, относящейся к данной области. В частности, выходящий из погружного трубопровода жидкий поток имеет тенденцию к циркуляции внутри жидкой массы сердцевины с повторными выходами на поверхность формирующегося сляба, который кристаллизуется только снаружи, что вызывает образование стоячих волн на поверхности ванны, особенно вблизи узких поверхностей тонкого кристаллизатора. При этом смазывающий шлак обычно скапливается в нижних частях волнообразного мениска, оставляя вершины непокрытыми, так что смазка отсутствует или плохо распределяется, а это ведет к повышению износа кристаллизатора, ухудшению качества поверхности сляба и нарушению теплообмена между отливаемым слябом и кристаллизатором и может служить причиной образования трещин.
Далее, в тех зонах, где завихрения потока поворачивают обратно в жидкую ванну, имеет место заметный изгиб мениска, который легко захватывает и удерживает частицы порошка и смазывающего шлака в формирующемся слябе. Это является еще одной причиной трещин и других дефектов поверхности. Турбулентность на уровне мениска в кристаллизаторе также является важной причиной износа разливочного стакана и сокращения срока его службы.
Возможная турбулентность и завихрения жидкого потока на выходе из разливочного стакана оказывают отрицательное влияние на происходящий внутри сляба процесс кристаллизации, который должен быть последовательным и как можно более однородным в направлении, параллельном узким поверхностям кристаллизатора. Следовательно, желательны равномерность подачи и как можно более строгая симметричность распределения потока относительно продольной оси сляба с максимальной однородностью в горизонтальных поперечных сечениях.
Следует отметить дополнительное неудобство, вызванное тем, что в расплавленных металлах или сплавах присутствуют окислы, имеющие тенденцию осаждаться на внутренних поверхностях разливочного стакана и тем самым изменять его геометрию, что оказывает негативное воздействие на проходное сечение потока.
За исключением последнего отмеченного недостатка, который усугубляется при низких расходах потока через различные проходные сечения, все другие ранее упомянутые затруднения возрастают при увеличении расхода потока расплавленного металла или сплава, то есть пропорционально более высоким скоростям вытягивания литого сляба из кристаллизатора и/или увеличению площади поперечного сечения сляба и связанным с этим более высоким расходом потока через различные проходные поперечные сечения, в частности через выпускные отверстия.
Сущность изобретения
Все упомянутые проблемы присутствуют в той или иной степени во всех известных формах погружного трубопровода или разливочного стакана и различным образом негативно воздействуют на ход процесса непрерывного литья и охлаждения формируемого сляба, следствием чего является получение конечного продукта низкого качества.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание погружного трубопровода или разливочного стакана, который позволяет устранить указанные недостатки за счет максимально допустимого и постепенного снижения расхода проходящего через поперечные сечения потока металла или сплава в соответствии с постепенным уменьшением расстояния до выпускных отверстий. Тем самым обеспечивается получение симметричного относительно вертикальной оси стабилизированного потока с кинетической энергией, которая легче рассеивается внутри жидкой сердцевины формирующегося сляба. За счет этого достигается снижение до минимума завихрений и турбулентности в менисках. Внутри погружного трубопровода поток ускоряется на пути до точки уменьшения поперечного сечения, а затем он равномерно замедляется при сохранении заполнения жидкостью нижней части диффузора.
Решение поставленной задачи согласно изобретению обеспечивается погружным трубопроводом, т. е. разливочным стаканом для гравитационной подачи расплавленного металла или сплава из ковша с почти постоянным напором в тонкий кристаллизатор с охлаждающими стенками, формирующий сляб из жидкой ванны. Горизонтальное поперечное сечение кристаллизатора образовано двумя сторонами значительно большей длины, чем две другие стороны. Трубопровод содержит вертикальную трубу, сообщающуюся вверху с ковшом и внизу со сплющенной распределительной частью, являющейся диффузором. Диффузор имеет два раздельных канала, образованных рассекателем. Выпускные отверстия каналов расположены на нижнем конце диффузора под поверхностью жидкой ванны на заданном расстоянии от стенок кристаллизатора. Важная отличительная особенность погружного трубопровода по изобретению состоит в том, что диффузор в своем самом верхнем поперечном сечении имеет площадь поверхности меньше площади поперечного сечения вертикальной трубы, а его внутренние боковые стенки, обращенные к узким сторонам кристаллизатора, симметрично расходятся книзу под углом α ≅ 7,5o к вертикальной оси. При этом стенки рассекателя в своей нижней части сужаются по отношению к узким сторонам кристаллизатора под углом β ≅ 7,5o к вертикальной оси.
Дополнительно предусматривается, что рассекатель расположен между нижней частью указанного диффузора, на одном уровне с выпускными отверстиями, и самым верхним, более узким поперечным сечением диффузора. При этом образованные рассекателем два канала имеют увеличивающуюся сверху вниз площадь поперечного сечения в плоскости, перпендикулярной потоку расплавленного металла или сплава, по меньшей мере, от зоны наибольшей толщины указанного рассекателя.
Согласно предпочтительному варианту изобретения верхний конец рассекателя расположен, по существу, на одном уровне с самым верхним более узким поперечным сечением диффузора. При этом диффузор соединен с вертикальной трубой посредством переходной зоны, расширяющейся книзу. Стороны рассекателя выполнены расходящимися между его верхним концом и зоной с наибольшей толщиной. Эти расходящиеся стороны рассекателя образуют с вертикальной осью угол, который больше или равен α, вследствие чего начальная часть указанных каналов имеет постоянное или уменьшающееся поперечное сечение до зоны наибольшей толщины рассекателя, что обеспечивает увеличение скорости потока металла или сплава.
Вертикальная труба в ее верхней части предпочтительно снабжена поверхностью регулирования потока металла или сплава. При этом труба прикреплена посредством фланцевого соединения к днищу ковша, внутри которого предусмотрена указанная поверхность.
В альтернативном варианте осуществления изобретения вертикальная труба может быть известным образом соединена фланцевым соединением с расположенным на днище ковша устройством для регулирования потока металла или сплава.
Перечень фигур чертежей
Эти и дополнительные решаемые задачи, преимущества и особенности погружного трубопровода или разливочного стакана по настоящему изобретению будут более понятны специалисту в данной области из приведенного далее и не являющегося ограничивающим описания предпочтительного примера осуществления изобретения со ссылками на чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает погруженный в кристаллизатор разливочный стакан в продольном разрезе по центральной плоскости, параллельной широким сторонам кристаллизатора,
фиг. 2 изображает погруженный в кристаллизатор разливочный стакан в продольном разрезе по плоскости II-II, параллельной узким сторонам кристаллизатора, и
фиг. 3 представляет разрез по линии III-III на фиг. 2.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Как показано на фиг. 1, погружной трубопровод 1 (разливочный стакан) предназначен для гравитационной подачи расплавленного металла или сплава 2 из расположенного над трубопроводом 1 ковша 3, обеспечивающего примерно постоянный напор. Сляб 4 формируется внутри тонкого кристаллизатора 5 с охлаждающими стенками, образованного четырьмя стенками, расположенными по существу вертикально, и имеющего горизонтальное поперечное сечение с двумя сторонами значительно большей длины, чем две другие стороны. Хотя на фиг. 3 показан кристаллизатор строго прямоугольного поперечного сечения, можно, не выходя за пределы настоящего изобретения, сделать стенки слегка выпуклыми или многоугольными или даже выбрать направление хода, слегка отличное от вертикального по фиг. 2.
Погружной трубопровод включает участок вертикальной верхней трубы 6 круглого поперечного сечения, соединенный известным образом с расположенным сверху ковшом 3. В своей верхней части погружной трубопровод может иметь поверхность 7 для регулирования потока. В нижней части погружной трубопровод расширяется в переходной зоне 18 и образует уплощенную распределительную часть, называемую в дальнейшем диффузором 8, с нижними выпускными отверстиями 9,9'. Диффузор 8 предназначен для подачи расплавленного материала под поверхность 17 столба материала (вследствие чего он и называется "погружным") внутрь сляба 4, который формируется в тонком кристаллизаторе 5, с выдерживанием заданного расстояния от стенок самого кристаллизатора. Как показано на чертежах, сляб 4 формируется посредством увеличения толщины твердых стенок сверху вниз, в то время как внутренняя сердцевина может рассматриваться как еще жидкая или по крайней мере еще не совсем затвердевшая масса.
В зоне диффузора 8 имеется также рассекатель 14, выполненный заодно с широкими стенками диффузора и разделяющий поток, направляя его в два раздельных проходных канала 16, 16', которые заканчиваются двумя отверстиями 9, 9' для выпуска потока вниз.
Проходное сечение 10 для потока у самого верхнего уровня высоты диффузора, у окончания переходной зоны 18 трубы 6, показано предпочтительно совпадающим с верхним концом рассекателя 14, хотя это и не является существенным признаком изобретения.
Согласно изобретению площадь этого проходного сечения 10 меньше площади поперечного сечения 11 верхней трубы 6, как это наглядно представлено на фиг. 2. Следует отметить тот факт, что хотя боковые стенки переходной зоны 18 расходятся вниз на фиг. 1, то есть в поперечном сечении, параллельном широким поверхностям кристаллизатора, во всех других плоскостях поперечного сечения они сходятся, обеспечивая уменьшение поперечного сечения в направлении вниз.
Кроме того, внутренние боковые стенки 12, 12' диффузора 8 симметрично расходятся вниз к узким сторонам тонкого кристаллизатора 5, причем каждая из них образует с вертикальной осью 13 угол α ≅ 7,5o.
Далее, согласно изобретению рассекатель 14 потока сужается вниз вдоль стенок 15, 15', которые обращены к узким сторонам тонкого кристаллизатора 5 и образуют с вертикальной осью 13 углы β ≅ 7,5o. Следует обратить внимание на то, что при соблюдении указанных выше условий углы β могут быть равны углам α или отличаться от них.
Два проходных канала 16, 16', образованных по обе стороны от рассекателя 14, имеют перпендикулярные потоку поперечные сечения, которые увеличиваются в направлении сверху вниз, но не способствуют отделению потока от стенок. Благодаря ограничению величин углов α и β отделение потока предотвращается, и расход потока по двум каналам 16, 16' обеспечивается как максимальный технически достижимый по отношению к желаемой скорости истечения из выпускных отверстий 9,9'.
В гидродинамическом аспекте погружной трубопровод или разливочный стакан в соответствии с изобретением образует для потока расплавленного материала подобие компрессионной камеры в соответствии с поперечным сечением 11, вернее, в соответствии с разницей между ним и уменьшенным поперечным сечением 10. Вследствие этого поток имеет максимальное ускорение, а затем замедляется при движении вниз, начиная с поперечного сечения 10 и далее постепенно по длине двух каналов 16, 16', но при этом сохраняет непрерывность контакта со стенками. Однако целесообразным является, чтобы поток ускорялся в верхней части, где расходятся стенки рассекателя 14, с тем чтобы не допускать отложения окислов в двух каналах 16, 16', как это имеет место в данной зоне при излишне резком или слишком рано начинающемся замедлении потока. Для этой цели предпочтительно, чтобы площадь поперечного сечения обоих каналов 16, 16' продолжала уменьшаться на участке между наибольшим поперечным сечением 10 диффузора и поперечным сечением на уровне максимальной толщины рассекателя. Это условие можно соблюсти, например, путем соблюдения для упомянутой верхней зоны рассекателя 14, в случае его выполнения с боковыми кромками 19, 19' по фиг. 1, такого требования, чтобы эти кромки имели угол наклона ≥ α. При этом две верхние зоны каналов 16, 16' формирования двух потоков рассекателя 14 имеют небольшое сужение до уровня концов верхних кромок 19, 19' перед началом зоны расширения в диффузоре 8 как таковом.
На основе приведенного и представленного на чертежах исполнения погружного трубопровода в соответствии с изобретением специалистами в данной области могут быть выполнены различные дополнения и модификации в пределах объема защиты изобретения. В частности, погружной трубопровод 1 может не иметь поверхности 7 регулирования потока, как это показано на фиг. 1 и 2, а быть известным образом непосредственно присоединен фланцевым соединением к днищу ковша 3, а поверхность регулирования потока может быть выполнена на другом элементе, помещенном внутри самого ковша. В другом исполнении трубопровод может быть также известным образом соединен фланцевым соединением снизу к "выпуску" регулятора потока, помещенного на днище ковша 3 и действующего известным образом путем дросселирования проходного окна между двумя расположенными одна над другой и снабженными отверстиями пластинами.
Изобретение относится к непрерывному литью тонких слябов и касается погружных разливочных стаканов. Погружной стакан содержит вертикальную трубу, сообщающуюся вверху с ковшом, а внизу - со сплющенной распределительной частью (диффузором). Диффузор соединен с трубой посредством переходной зоны. Его боковые стенки, обращенные к узким сторонам кристаллизатора, симметрично расходятся книзу под углом α ≅ 7,5o к вертикальной оси. Он имеет два канала, образованные рассекателем, выпускные отверстия которых расположены на нижнем конце диффузора под поверхностью ванны жидкого металла. Площадь верхнего поперечного сечения диффузора меньше площади поперечного сечения вертикальной трубы. Нижний конец рассекателя расположен на одном уровне с выпускными отверстиями, а верхний конец - на одном уровне с самым верхним более узким поперечным сечением диффузора. Стенки рассекателя расходятся от его верхнего конца до зоны с наибольшей толщиной и далее сужаются относительно узких сторон кристаллизатора под углом β ≅ 7,5o к вертикальной оси. Такая конструкция стакана позволяет снизить завихрения и турбулентность потока жидкого металла на выходе и повысить качество конечного продукта. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
| DE 4142447 A, 24.12.1992 | |||
| DE 4436990 C, 07.12.1995 | |||
| WO 8915219 A, 28.12.1989 | |||
| WO 9529025 A, 02.11.1995 | |||
| ПОГРУЖАЕМЫЙ СТАКАН ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛОВ | 1991 |
|
RU2030958C1 |
