专利名称：波纹表面的塞铁芯系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种用于调节从容纳液态金属的容器中流出的金属流量的装置。本发明尤其设计一种改进的塞铁芯系统。
背景技术：
在处理熔融的或液态的金属例如钢时，液态金属流从一个冶金容器例如盛钢桶进入到中间包(tundish)。然后液态金属通过中间包进入一个型模。在中间包底部或接近该底部，控制从中间包流出并进入型模内的液态金属流。通常用一个塞铁芯系统控制该金属流。
塞铁芯系统由一个可移动的塞铁芯和一个喷嘴构成。喷嘴有一个孔，液态金属可以流动通过该孔。通过喷嘴孔流出中间包的液态金属流由重力的作用产生。塞铁芯有一个沉浸在液态金属中的端部或前端，所述前端与喷嘴孔的入口部分配合，使得如果塞铁芯前端移动到与喷嘴接触，那么喷嘴孔闭锁并且液态金属流停止。如果塞铁芯前端移动脱离与喷嘴的接触，那么在塞铁芯前端与喷嘴孔之间形成一个缝隙，允许液态金属从容器流过喷嘴孔。通过塞铁芯的精确运动调节液态金属流量，同时保持塞铁芯前端与喷嘴孔之间的紧密接近。通过这种方式，调节缝隙尺寸来调节液态金属流量。现有发明具体地涉及塞铁芯前端和/或喷嘴表面的形状。
传统塞铁芯系统的问题在于液态金属流的堵塞或限制，这是由于非金属颗粒在塞铁芯前端和/或喷嘴孔表面上沉积和聚积。沉积使得在适当调节液态金属流时有困难。结果是堵塞沉积物的增加，期望的液态金属流量也许不可能维持，导致过程的早期终止。如果部分堵塞沉积物破坏并且被金属流带走，那么金属流也会突然涌动。因堵塞引起的液态金属流的不良调节导致金属产品中的质量缺陷。现有的塞铁芯系统试图用一个不平的凹凸的几何形状或者通过将气体经由塞铁芯前端内的多孔元件引入到金属流中来解决堵塞的问题。这种现有的塞铁芯系统的实例公开于日本专利No.62089566-24/04/87和美国专利No.5,071,043。
但是由日本专利No.62089566-24/04/87教导的不平表面的使用以调节金属流，由于缝隙尺寸不是喷嘴孔与塞铁芯前端之间的间距的光滑函数。当需要关闭金属流时，该不平的几何形状也在塞铁芯前端与喷嘴孔之间的密封方面产生问题，因为在不平表面上的凹陷被液态金属流旁通，因此将液态金属困陷在凹陷内，液态金属可能在那里由于凝固而堵塞金属流。
美国专利5,071,043公开了多孔的塞铁芯前端的使用以允许将惰性气体例如氩气的气泡引入到金属流中。气体的引入通过提供气泡而有助于减小堵塞，液态金属中的非金属颗粒可以优先附着到这些气泡上，因此降低其在塞铁芯前端或喷嘴孔上的增加。然而通过塞铁芯前端射入的气体通常不形成气泡在流经缝隙的金属中的均匀分布。气体流过最小阻力的路径并且可以到达液态金属并且仅在缝隙的一侧或者仅在部分金属流中形成气泡。当发生这种情况，堵塞是非对称的，导致经过缝隙的不均匀的金属流，并且从而导致金属流的不良调节。
本发明通过提供一种具有独特设计的塞铁芯前端和喷嘴孔的塞铁芯系统克服现有塞铁芯系统的缺陷，本发明的塞铁芯系统控制金属流中的涡流的规模和位置。
发明内容
本发明提出一种用于冶金容器的塞铁芯系统。该塞铁芯系统包括一个在一端具有一个前端的塞铁芯和一个具有穿通的孔的喷嘴，所述孔有一个内表面。当塞铁芯系统处于关闭位置时，塞铁芯前端和喷嘴孔内表面有一个接触点。塞铁芯前端和喷嘴孔的内表面中的至少一个包括多个波纹，所述波纹设置成当塞铁芯系统处于打开位置时在塞铁芯前端与喷嘴孔内表面之间的流道的尺寸以从接触点至下游的距离的函数不连续地增加。
本发明的另一实施形式提出一种用于塞铁芯系统的塞铁芯。所述塞铁芯系统包括在一端具有一个前端的该塞铁芯和一个具有穿通的孔的喷嘴，所述孔有一个内表面。当塞铁芯系统处于关闭位置时，塞铁芯前端和喷嘴孔内表面有一个接触点。塞铁芯前端包括多个波纹，所述波纹设置成当塞铁芯系统处于打开位置时在塞铁芯前端与喷嘴孔内表面之间的流道的尺寸以从接触点至下游的距离的函数不连续地增加。
本发明的另一实施形式提出一种用于塞铁芯系统的喷嘴。所述塞铁芯系统包括一个在一端具有一个前端的塞铁芯和具有穿通的孔的该喷嘴，所述孔有一个内表面，当塞铁芯系统处于关闭位置时，塞铁芯前端和喷嘴孔内表面有一个接触点。喷嘴孔的内表面包括多个波纹，所述波纹设置成当塞铁芯系统处于打开位置时在塞铁芯前端与喷嘴孔内表面之间的流道的尺寸以从接触点至下游的距离的函数不连续地增加。
图1用在处理液态金属中的典型中间包的横截面图。
图2传统塞铁芯系统的横截面图。
图3显示传统塞铁芯系统中的局部流型的横截面图。
图4显示公开于日本专利NO.62089566-24/04/87中的塞铁芯系统中的局部流型的横截面图。
图5按本发明一实施例的塞铁芯系统的横截面图。
图6图5的塞铁芯系统的横截面图，显示局部流型。
图7按本发明另一实施例的塞铁芯系统的横截面图。
图8按本发明另一实施例的塞铁芯系统的横截面图。
具体实施例方式
图1显示出一个典型的中间包构造。在中间包1内，有中心轴线6的塞铁芯2与喷管3的中心轴线5对准并且用于调节通过缝隙4的液态金属流。
图2显示传统塞铁芯系统的多种选择的几何构造。塞铁芯7有一个圆形或半球形前端，该前端与喷嘴孔的圆形的入口表面8配合。作为选择，塞铁芯9有一个尖角的或锥形的前端，该前端与渐缩的或锥形的喷嘴孔入口10配合。作为选择，塞铁芯11有一个多半径的或弹头形的前端。
图3是在按例如显示于图2的传统构造的调节区域周围的详图。塞铁芯前端12相对于喷嘴孔12定位，以使形成一个调节以流线14表示的液态金属流的缝隙15。缝隙15沿着塞铁芯前端12与喷嘴孔13之间的最紧密接近的线。在缝隙15的下游，流线可能从塞铁芯前端12和喷嘴孔12的表面上分离，从而造成如箭头16所示的不受控制的涡流。涡流形成于缝隙15下游的邻近塞铁芯前端表面12或邻近喷嘴孔13内表面的液流区域内。涡流可能在这两个区域内以不受控制并不可预测的方式出现和消失。涡流的大小或规模也是随时间变化的。产生在最小缝隙下游的液流中的涡流的规模和位置的变化性可以影响液流调节，以使甚至在塞铁芯位置并且从而缝隙尺寸固定时也引起流量的变化。
图4显示如日本专利62089566公开的不平的表面，如图4所示，塞铁芯前端表面17有多个凹陷19。用于说明性的目的，在图4中仅仅塞铁芯前端表面17以一个带有凹陷的不平表面为特征，但是该对比文件也教导，喷嘴孔也可以有一个以类似凹陷为特征的不平表面。因此在图4中，喷嘴孔表面18显示为光滑的弧。线20是与塞铁芯前端表面17的总体曲面相切并且在缝隙处连接到该表面，并且在缝隙下游的金属流的大致方向上延伸。线21、22、23、24、25和26是垂直于线20的线的示例，并且按顺序离缝隙更远。各条线的长度与在缝隙下游形成的流道的尺寸成比例。显然，随着沿着线20的位置的增加，流道尺寸沿下游方向不光滑地增加。事实上，流道尺寸在每个凹陷入口迅速增加，并且然后在每一个凹陷的较低的(较下游的)部分下降。例如，线22比线21长，线23比线22长，但是线24比线23短，并且线25比线短。当下游位置接近下一个凹陷时，线26比25长。
如这里使用的，在说明书和权利要求书中，术语“流道”当与塞铁芯相关使用时，它用于定义在塞铁芯前端与相切于塞铁芯前端并且平行于在塞铁芯前端与喷嘴孔内表面之间的接触点处的液态金属流的方向的线之间的区域。类似地，在这里使用的，在说明书和权利要求书中，术语“流道”当与喷嘴相关使用时，它用于定义在喷嘴孔内表面与相切于喷嘴孔内表面并平行于在塞铁芯前端与喷嘴孔内表面之间接触点处的液态金属流的方向的线之间的区域。
必须注意的是，流道的尺寸在不平表面为“凹陷”之处增加并且因此，不平的凹陷被液态金属流旁通。凹陷的旁通允许液态金属截留在凹陷内，导致与在附近的流动液体相比，截留的液体停留更长时间。截留的液体也可能凝固在凹陷内，导致液态金属流堵塞。当有必要关闭金属流时，不平的几何形状也导致在塞铁芯前端与喷嘴孔之间的密封的问题。
现在如图5所示，它显示了一个本发明的系统的实施例。所示的塞铁芯前端42和出口喷嘴孔43被显示在一个关闭位置上。在接触点44，画了一条切线45相切于塞铁芯前端表面，并且在接触点下游延伸。通过垂直于切线45的垂线显示了在切线45与塞铁芯前端42之间在接触点45下游的距离变化。线47、48、49和50是一系列这样的从点44的距离依次增加的垂线。这些线显示，在本发明的该实施例中，塞铁芯前端42的表面包括多个凹部或波纹。这些波纹这样形成，以使得随着从接触点44至下游的距离的增加，在切线与塞铁芯42之间的流道在尺寸上逐渐地增加，但是以阶梯的方式或不连续的方式增加。
当塞铁芯前端42移动脱离与喷嘴孔43的接触时，在接触点44的区域形成缝隙并且当缝隙的下游的距离增加时，在切线与塞铁芯前端之间的流道以不连续的方式增加。例如比较线47和48与线48和49，线48比线47长而线49比线47略长或一样长。因此，在线48与47之间的长度差远比线49与48之间的长度差大。塞铁芯前端42的波纹的形状造成流道尺寸的不连续增加。
应该注意到，流道尺寸不是作为缝隙下游的距离的函数下降。相反，缝隙下游的流道尺寸按一系列阶梯增加。在优选构造中，首先，在邻近接触点44处的尺寸上的小增加(作为从接触点44开始的距离的函数)用于保证塞铁芯系统的良好关闭。所述小的增加优选跟随一个大的增加、接着一个小的增加或者甚至无增加、接着一个大的增加、接着一个小的增加或者甚至无增加等。
图6显示本发明的一个实施例的调节区域。波纹的塞铁芯前端56相对于喷嘴孔62定位，以致形成一个在区域51内的缝隙，所述缝隙调节以流线表示的液态金属流。缝隙沿着在塞铁芯前端56与喷嘴孔62之间的最紧密接近的线。在缝隙的下游，流线从塞铁芯前端56的表面上分离，并且形成如箭头54、55和60所表示的受控制的涡流。在点53的下游，在切线52与塞铁芯前端表面之间的距离在第一阶梯中快速增加，促使金属流从塞铁芯前端分离并且产生如箭头54所示的涡流的第一区域。类似地，在切线52与塞铁芯前端表面之间的距离快速增加的其它台阶的下游形成其它涡流区域，如箭头55和60所显示的。因此，在本发明中涡流的位置和规模被在塞铁芯前端表面上的波纹的位置和深度影响。
在本发明的该实施例中，通过提供一种具有独特设计的控制金属流中的涡流的规模和位置的塞铁芯前端的塞铁芯系统校正了原先的塞铁芯系统的缺陷，受控的涡流通过持续地冲走任何非金属颗粒而降低塞铁芯前端的堵塞沉积的速率，另外，如果气体通过塞铁芯前端引入到系统中，那么邻近塞铁芯前端表面的受控涡流将气泡均匀地分布在塞铁芯前端周围以进一步抑制任何堵塞沉积。
图7显示本发明的另一个选择的实施例。在这个实施例中，喷嘴孔71的表面是波纹形的，以使得随着接触点57下游的距离的增加，形成一个在切线与喷嘴孔71之间的在尺寸上以不连续方式快速增加的流道。这种在流道尺寸上的不连续增加类似于上述与图5-6相关的描述。
在塞铁芯前端70与喷嘴孔71之间的接触点57画了一条切线58，它相切于喷嘴孔71的表面并在接触点下游延伸。喷嘴孔71的波纹形提供了在切线与喷嘴孔71之间的流道尺寸不是作为接触点57的下游的距离的函数减少。相反，当缝隙的下游距离增加时，流道尺寸随着增加。在一系列的阶梯中，首先邻近接触点处的缓慢增加以保证良好关闭，接着一个快速的增加，接着一个缓慢的增加或者甚至不增加，接着一个快速的增加，接着一个缓慢的增加或者甚至不增加等。这使得在切线与喷嘴孔表面之间的距离快速增加的阶梯下游在邻近喷嘴孔表面的流道中形成涡流区域。通过这种方式，本发明实施例的塞铁芯系统控制了涡流的位置和规模。
图8显示本发明的另一个实施例，其中塞铁芯前端81和喷嘴孔83两者都是有波纹的。在该实施例中，如上面关于原先的实施例所描述的，在喷嘴孔切线与喷嘴孔表面之间的流道以及在塞铁芯前端切线与塞铁芯前端表面之间的流道在尺寸上按阶梯式的方式在缝隙下游逐渐增加，这在缝隙下游不仅在邻近喷嘴孔表面而且在邻近塞铁芯前端表面控制液态金属流中的涡流。显然地，本发明的大量的修改和变化式可能的。因此，可以理解在随后的权利要求范围内，本发明可以不同于如上具体描述地实施。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1.用于冶金容器的塞铁芯系统，包括一个在一端具有一个前端的塞铁芯和一个具有穿通的孔的喷嘴，所述孔有一个内表面，当塞铁芯系统处于关闭位置时，塞铁芯前端和喷嘴孔内表面有一个接触点，其特征在于塞铁芯前端(42)和喷嘴孔(43)的内表面中的至少一个包括多个波纹，所述波纹设置成当塞铁芯系统处于打开位置时流道的尺寸以从接触点(44)至下游的距离的函数不连续地增加。
2.按权利要求1的塞铁芯系统，其特征在于流道的尺寸在接触点(44)的下游保持不变或者增加。
3.按权利要求1的塞铁芯系统，其特征在于因最接近接触点(44)的波纹引起的流道尺寸的增加大于因在最接近接触点(44)的波纹的直接下游的波纹引起的流道尺寸的增加。
4.按权利要求1的塞铁芯系统，其特征在于因每个相继波纹引起的流道尺寸的增加交替地大于和小于接触点(44)下游的与每个相继波纹一起的上一个。
5.按权利要求1的塞铁芯系统，其特征在于塞铁芯前端(42)包括所述多个波纹。
6.按权利要求1的塞铁芯系统，其特征在于喷嘴孔(43)的内表面包括所述多个波纹。
7.按权利要求1的塞铁芯系统，其特征在于塞铁芯前端(42)和喷嘴孔(43)内表面都包括多个波纹。
8.用于塞铁芯系统的塞铁芯，所述塞铁芯系统包括在一端具有一个前端的该塞铁芯和一个具有穿通的孔的喷嘴，所述孔有一个内表面，当塞铁芯系统处于关闭位置时，塞铁芯前端和喷嘴孔内表面有一个接触点，其特征在于塞铁芯前端(42)包括多个波纹，所述波纹设置成当塞铁芯系统处于打开位置时流道的尺寸以从接触点(44)至下游的距离的函数不连续地增加。
9.按权利要求8的塞铁芯，其特征在于流道的尺寸在接触点(44)的下游保持不变或者增加。
10.按权利要求8的塞铁芯，其特征在于因最接近接触点(44)的波纹引起的流道尺寸的增加大于因在最接近接触点(44)的波纹的直接下游的波纹引起的流道尺寸的增加。
11.按权利要求8的塞铁芯，其特征在于因每个相继波纹引起的流道尺寸的增加交替地大于和小于接触点(44)下游的与每个相继波纹一起的上一个。
12.用于塞铁芯系统的喷嘴，所述塞铁芯系统包括一个在一端具有一个前端的塞铁芯和具有穿通的孔的该喷嘴，所述孔有一个内表面，当塞铁芯系统处于关闭位置时，塞铁芯前端和喷嘴孔内表面有一个接触点，其特征在于喷嘴孔(43)的内表面包括多个波纹，所述波纹设置成当塞铁芯系统处于打开位置时流道的尺寸以从接触点(44)至下游的距离的函数不连续地增加。
13.按权利要求8的喷嘴，其特征在于流道的尺寸在接触点(44)的下游保持不变或者增加。
14.按权利要求8的喷嘴，其特征在于因最接近接触点的波纹引起的流道尺寸的增加大于因在最接近接触点(44)的波纹的直接下游的波纹引起的流道尺寸的增加。
15.按权利要求8的喷嘴，其特征在于因每个相继波纹引起的流道尺寸的增加交替地大于和小于接触点(44)下游的与每个相继波纹一起的上一个。
权利要求
1.用于冶金容器的塞铁芯系统，包括一个在一端具有一个前端的塞铁芯和一个具有穿通的孔的喷嘴，所述孔有一个内表面，当塞铁芯系统处于关闭位置时，塞铁芯前端和喷嘴孔内表面有一个接触点，其特征在于塞铁芯前端和喷嘴孔内表面中的至少一个包括多个波纹，所述波纹设置成当塞铁芯系统处于打开位置时流道的尺寸以从接触点至下游距离的函数不连续地增加。
2.按权利要求1的塞铁芯系统，其特征在于流道的尺寸在接触点的下游不下降。
3.按权利要求1的塞铁芯系统，其特征在于因最接近接触点的波纹引起的流道尺寸的增加大于因在最接近接触点的波纹的直接下游的波纹引起的流道尺寸的增加。
4.按权利要求1的塞铁芯系统，其特征在于因每个相继波纹引起的流道尺寸的增加交替地大于和小于接触点下游的与每个相继波纹一起的上一个。
5.按权利要求1的塞铁芯系统，其特征在于塞铁芯前端包括所述多个波纹。
6.按权利要求1的塞铁芯系统，其特征在于喷嘴孔的内表面包括所述多个波纹。
7.按权利要求1的塞铁芯系统，其特征在于塞铁芯前端和喷嘴孔内表面都包括多个波纹。
8.用于塞铁芯系统的塞铁芯，所述塞铁芯系统包括在一端具有一个前端的该塞铁芯和一个具有穿通的孔的喷嘴，所述孔有一个内表面，当塞铁芯系统处于关闭位置时，塞铁芯前端和喷嘴孔内表面有一个接触点，其特征在于塞铁芯前端包括多个波纹，所述波纹设置成当塞铁芯系统处于打开位置时流道的尺寸以从接触点至下游的距离的函数不连续地增加。
9.按权利要求8的塞铁芯，其特征在于流道的尺寸在接触点的下游不下降。
10.按权利要求8的塞铁芯，其特征在于因最接近接触点的波纹引起的流道尺寸的增加大于因在最接近接触点的波纹的直接下游的波纹引起的流道尺寸的增加。
11.按权利要求8的塞铁芯，其特征在于因每个相继波纹引起的流道尺寸的增加交替地大于和小于接触点下游的与每个相继波纹一起的上一个。
12.用于塞铁芯系统的喷嘴，所述塞铁芯系统包括一个在一端具有一个前端的塞铁芯和具有穿通的孔的该喷嘴，所述孔有一个内表面，当塞铁芯系统处于关闭位置时，塞铁芯前端和喷嘴孔内表面有一个接触点，其特征在于喷嘴孔的内表面包括多个波纹，所述波纹设置成当塞铁芯系统处于打开位置时流道的尺寸以从接触点至下游的距离的函数不连续地增加。
13.按权利要求8的喷嘴，其特征在于流道的尺寸在接触点的下游不下降。
14.按权利要求8的喷嘴，其特征在于因最接近接触点的波纹引起的流道尺寸增加大于因在最接近接触点的波纹的直接下游的波纹引起的流道尺寸增加。
15.按权利要求8的喷嘴，其特征在于因每个相继波纹引起的流道尺寸的增加交替地大于和小于接触点下游的与每个相继波纹一起的上一个。
全文摘要
本发明涉及一种用于冶金容器的塞铁芯系统，包括一个塞铁芯和一个喷嘴。塞铁芯前端(42)和喷嘴孔(43)的内表面中的至少一个包括多个波纹，所述波纹设置成当塞铁芯系统处于打开位置时流道的尺寸以从接触点(44)至下游的距离的函数不连续地增加。
文档编号B22D41/18GK1874862SQ200480031992
公开日2006年12月6日 申请日期2004年11月3日 优先权日2003年11月3日
发明者J·L·里绍, L·J·希斯利普, J·多里科特 申请人:维苏维尤斯·克鲁斯布公司