专利名称：铸造水口的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于引导熔融金属例如钢水(molten steel)的水口。更确切地说，本 发明涉及在生产钢的连续铸造工艺中使用的所谓浸入式水口，有时也被称作铸造水口。本 发明还涉及该水口在铸钢时的用途。
背景技术：
在钢的连续铸造中，来自钢包的钢水被倾倒入被称作中间包(tundish)的较大容 器中。中间包具有一个或多个出口，钢水经过出口流到一个或多个相应结晶器(mould)中， 在结晶器中钢水冷却并凝固以形成金属的连续铸造的固体长度。铸造水口或浸入式水口位 于中间包与每个结晶器之间，并引导钢水从中间包经过铸造水口流到结晶器内。铸造水口 一般是细长管道的形式，即，刚性管或管子。这种铸造水口的主要功能如下。首先，在钢水从中间包流动到结晶器内时，水口用 作防止钢水与空气接触，因为空气会造成钢的氧化，这是不希望的。其次，非常希望水口能 以尽可能平缓且非湍流的方式将钢水引入结晶器内，因为在结晶器中的湍流会造成结晶器 中钢水表面上的熔剂下拽到钢内(被称作“夹带”)，由此在铸钢中生成杂质。在结晶器中 的湍流也会破坏结晶器侧面上的润滑。结晶器熔剂的功能(除了防止钢的表面与空气接触 之外)之一是润滑结晶器侧面以防止钢附着于其上并再次凝固。熔剂也有助于防止随后在 铸钢中形成表面缺陷。所以为此目的借助于浸入式水口使湍流最小化也是重要的。另外， 湍流可在结晶器自身上造成应力，有损伤结晶器的风险。而且，在结晶器中的湍流也可能会 造成结晶器中不均勻的热分布，从而造成钢凝固不均勻，以及也造成所铸造的钢的质量和 组成的变动。该后一个问题也涉及浸入式水口的第三个主要功能，即浸入式水口以均勻方 式将钢水引入结晶器内以便形成均勻的凝聚壳(钢在最靠近结晶器壁的区域中凝固最快) 以及铸钢的均勻的质量及组成。理想的浸入式水口的第四个功能在于减小或消除结晶器中 钢的弯液面中驻波振动的发生。将钢水引入结晶器内一般会在钢的表面形成驻波，且在进 入结晶器的钢的流动中的任何不规则性或振动可引起驻波的振动。这些振动可能具有与结 晶器中的湍流类似的作用，造成结晶器熔剂夹带进入到正在铸造的钢内，破坏结晶器熔剂 对结晶器侧面的有效润滑，且不利地影响结晶器中的热分布。应了解，设计并制造能尽可能好地执行所有上述功能的浸入式水口是一项极具挑战 性的任务。不仅必须将水口设计和制造成耐受与快速流动的钢水相关联的力和温度，而且抑制 湍流的需要与使结晶器中的钢水均勻分布的需要相结合造成极为复杂的流体动力学问题。在申请人的国际专利申请W002/43904中，公开了一种浸入式水口，其具有两个下 侧出口，这些下侧出口相对于穿过水口的管道的中心轴线倾斜。在排出口之间的是限定容 器并与分配器一起限定两个下出口的结构。下出口的相对内侧壁分别向下发散。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铸造水口，与所述上文提及的先有技术的水口相比，其具有改进的性能。根据本发明的第一方面，提供一种用于引导熔融金属从容器流动到结晶器内的水 口，该水口包括管道，该管道沿着在使用期间竖直定向的轴线是细长的，该水口具有至少一 个上入口且在其下端具有两个间隔开的挡板，挡板的相应外壁部分地限定两个下出口，且 挡板的相应内壁在其间限定至少一个出口流动通路的至少一部分、且每个内壁至少部分地 凹入弯曲并布置成使得存在着来自所述一个或多个出口流动通路的会聚流动。下出口优选地以一定角度相对于所述轴线倾斜，更优选地以小于90°的角度。优选地，两个挡板都从水口末端的高度延伸。理想地，挡板的相应外壁凸出地弯曲。适宜地，至少一个流量分配器或分流器安置于所述间隔开的挡板之间。在一实施 例中，提供单个流量分配器，其居中地位于挡板之间，且流量分配器的相应相对侧是平直 的，朝向水口末端相对地发散。有利地，流量分配器从所述末端的高度延伸。流量分配器的高度可使得其终止于挡板所延伸的高度下方，但优选地，如果流量 分配器在挡板所延伸到的高度上方延伸是特别有利的。这使得熔融金属以占据全部端口区 域的状态离开水口，且可提供优于使用了所述较短流量分配器的布置的15-20%的改进。更优选地，在流量分配器终止于挡板的上高度上方或下方的情况下，可在其内设 有扰动结构(perturbation)。扰动结构可在面对挡板的流量分配器的一个或两个壁中呈连 续竖向通道的形式。或者，扰动结构可以是不连续的通道、狭槽、陷窝、突起、凹槽、切口，或 者是面对挡板的流量分配器的一个或两个壁中的任何不连续结构。在扰动结构是设置在两 个壁中的凹陷结构(诸如切口或狭槽)的情况下，扰动结构可交会以限定穿过流量分配器 的通路或钻孔。利用在这些壁中的相应连续通道，则已发现边界层改变，产生更贴切地沿着端口 形状的流体流动。此外，作为在流量分配器中设置这种扰动结构的替代或补充，扰动结构可设置在 挡板的朝内壁之中的一个或两个壁内，且甚至可能在挡板的所述外壁的一个或两个壁中。根据本发明的另一方面，提供一种用于引导熔融金属从容器流动到结晶器内的水 口，该水口包括管道，该管道沿着在使用期间竖直定向的轴线是细长的，该水口具有至少一 个上入口和至少一个下侧出口，位于或低于最上方的下侧出口高度处的水口的任何表面中 的至少一个表面中设置有一个或多个扰动结构，这些表面适合于在使用中弓丨导熔融金属。通过上文，应了解，在提供挡板的情况下，扰动结构可在挡板的内壁和/或外壁 中。在提供流量分配器的情况下，扰动结构可在分配器的相对侧壁之中的一个或两个壁里。 可在不使用挡板的情况下使用分配器，但在提供了此二者的情况下，分配器可终止于挡板 的上高度的上方或下方。扰动结构可设置在下侧出口的壁中或在所有下侧出口中，且在下侧出口下壁由挡 板或分配器的壁限定的情况下，这个下壁可形成为具有扰动结构。作为下侧出口的所述下 壁的补充或替代，下侧出口的上壁可替代地形成为具有所述扰动结构。扰动结构可如同所述的第一方面的情况，S卩，其为通道(连续的或不连续的)、狭 槽、凹槽、切口、陷窝、突起或任何其它不连续结构。扰动结构因而可设置在位于或低于水口的最上方侧出口的高度处的任何表面中，即，不包括在所述高度上方的中央流动钻孔中的扰动结构。
现将参看附图，以举例说明的方式来描述本发明，其中图1是本发明的一实施例的铸造水口的纵截面图，图2是包括中央流量分配器的铸造水口的第二实施例的片断图，图3是类似于图2所示的铸造水口、但按照更大比例绘制的铸造水口的第三实施 例的片断图，图4是铸造水口的第四实施例的类似于图3的片断图，图5至图7分别是图4所示的流量分配器的又一形式的正视图、侧视图和下端视 图，图8示意性地示出本发明的另一方面的铸造水口，其具有在其表面中的起伏凹凸 (relief)的示例，图9和图10分别是图8的箭头A和箭头B方向上的视图。
具体实施例方式图1示出根据本发明一实施例的水口 10，该水口包括管道11，管道沿着在使用中 基本上竖直定向的轴线是细长的。水口具有上入口 12、相对于轴线倾斜的两个下出口 13、 14，以及在轴向大体上位于倾斜的下出口 13、14之间的下出口 15。水口 10大体上包括三个区段。水口的上区段16具有基本上呈圆形截面管的形式， 在其最上末端止于入口 12处。在上区段16的下方，中区段17在一个与水口轴线平行的平 面中向外扩展并且在正交平面内变平。在中区段17的下方是下区段18，其包括倾斜出口 13、14及轴向出口 15。类似于中区段17，下区段18在所述正交平面中变平并且也向外扩展。两个挡板 19、20分别形成在水口末端的相对侧，挡板在所述正交平面的方向上完全延伸到通道的整 个宽度。根据将从图1可见的，倾斜出口 13、14分别限定为介于所述下区段18中的水口的 扩展侧壁与挡板19、20的相应外壁21、22之间。在图1所示的示例中，这些外壁凸出地向 下弯曲至出口 13、14的相应开口端，从这里挡板的这些外壁为平直的，作为水口的侧壁向 下延伸至水口下末端，在该水口下末端处挡板终止。如从图1中可以看出，挡板形成为具有 相应内壁23、24，该内壁23，24凹入地弯曲，每个内壁从挡板的下末端向上延伸到其弯曲顶 端，在这里挡板的凹入外壁终止。如图1所示，顶端是圆角状的，但在另一实施例中，这个顶 端可形成为尖顶点，或平坦表面。因而下轴向入口 15限定在挡板19、20的相应朝内壁23、 24之间。在使用中，图1的铸造水口 10布置在中间包与结晶器之间且用作引导钢水从中间 包经过铸造水口流动到结晶器。因而钢进入上入口 12并向下流经水口的上区段16和中区 段17。当钢流到达下区段18时，它遇到挡板19、20，最初遇到挡板的上顶端，结果，钢分别 通过倾斜出口 13、14流出，且该流的其余部分从水口的下末端通过限定于挡板19、20的相 应内壁23、24之间的下轴向出口 15而排出。由于这些内壁如图1所示凸出地弯曲和布置，因此钢被“压缩”，使得离开铸造水口并进入结晶器的钢并不扩散，例如，如果挡板的下内表 面相对地会聚，就会发生这种情况。就每个挡板的精确位置和布置而言，显然需要这些都相同，S卩，存在与这个下区段 18对称的配置。可以看出在图1所示的实施例中，挡板内壁的下末端相对于内壁的上末端 (即，在所述顶端处的上末端)略微向外间隔开，使得挡板的相应上末端之间的距离小于挡 板的下末端之间的距离，这些距离从挡板的相应内壁测量。然而应了解，影响金属流外流的 更重要的因素是内壁凹入地弯曲的事实。然而应了解，这个凹曲度无需在每个内壁的整个 上延伸使得凹曲度在每种情况下可用于所述壁的仅一部分。现转至图2，其示意性地示出根据本发明的铸造水口的又一形式的下区段。然而 其非常类似于图1所示的下区段，且共同的部件用与图1所使用的相同数字来表示。因此， 可以看出图2所示的实施例具有与图1实施例的布置相同的挡板19、20，且挡板带有相应 倾斜出口 13、14安置于所述挡板的外壁21、22之上。实际上，区别于图1所示的下区段18 的唯一变化是位于挡板19、20之间从水口的下末端的高度向上延伸的中央流量分配器25。 流量分配器25，类似于挡板19、20，完全在管道的整个宽度上延伸。流量分配器具有安置于 水口末端高度的平坦下表面26，而其基本上平直的相对侧壁27、28分别向上会聚以形成圆 角形的上顶端29。水口的中心纵向轴线穿过所述流量分配器的中心延伸，因而所述流量分 配器在中央轴向地定位于挡板的相应内壁23、24的中间位置。因此，两个相等的大体上轴 向出口 30、31分别形成在流量分配器的相应相对侧，出口 30限定在挡板内壁23与分配器 的侧壁27之间，而轴向出口 31形成在挡板20的内壁24与流量分配器的侧壁28之间。与图1所示的布置类似，依靠挡板的凹入弯曲的内壁23、24，存在对流动钢的“压 缩”使得通过提供中央分配器，离开轴向出口 30、31的流动自身也因此被“压缩”和会聚。图3示出本发明的再一实施例，这个图与图2所示的实施例非常相似，仅说明了铸 造水口的下区段18。同样，已使用相同的附图标记用于相同的部件。实际上，与图2所示的 布置的唯一的不同涉及挡板配置，在这里用附图标记19a、20a来表示挡板。从图3中可以 看出，虽然挡板的相应内壁23a、24a仍是凹入地弯曲，但它们相对于穿过水口的纵向中心 线有效地更为向后“倾斜”，使得与上顶端之间距离小于内壁23、24的相应下末端之间距离 的第一实施例和第二实施例的布置相对比，图3的实施例是相反的情况，即，内壁23a、24a 的相应上末端之间的距离大于内壁23a、24a的相应下末端之间的距离。可以看出这是由于 下面这个事实穿过挡板内壁下末端所取得的水口的纵向中心线的平行线相对于穿过挡板 内壁上末端所取得的相应线向内。但可以认为这种布置将同样提供分别关于图1的第一实 施例和图2的第二实施例所提及的益处。在目前已经描述的实施例中，应注意的是在提供中央流量分配器的情况下，中央 流量分配器从管道的末端向上延伸到比挡板的相应顶端安置处的高度明显更低的高度。然 而在图4所示的实施例中，其在其它方面与图3所示的实施例相同，但现用附图标记32表 示的中央流量分配器延伸到远高于挡板的相应顶端安置处高度的高度。中央流量分配器32 具有大体上在管道11末端高度处的下平坦基部33和分别平直地向上会聚的相对侧壁34、 35，这些侧壁在上平坦“顶端” 36处交会。已经发现提供这种中央流量分配器32能控制边界层且通常其可在挡板顶部上方 大约Icm处。这个设计造成钢水以占据全部出口区域的状态离开水口并认为这种设计比图2和图3分别所示的设计有了改进。图5至图7示出用数字37表示的中央流量分配器的另一形式。尽管最初打算用 这个流量分配器37替换流量分配器32，S卩，其将在铸造水口中挡板的上高度之上延伸，但 其可在需要的情况下替换流量分配器(诸如流量分配器25)，流量分配器25仅延伸到挡板 的上高度下方的高度。流量分配器37具有类似于流量分配器32的形式，也具有平坦基部 38和分别相对会聚的侧壁39、40，这些侧壁的顶部接合处为圆角状的，如在41处所示，以形 成流量分配器的顶端。从图6所示的侧视图可以看出，在所示出的实施例中，前侧42和后 侧43分别从基部38向上发散使得顶端的宽度大于基部宽度，如图所示。从图7可以看出， 中央矩形通道44、45形式的扰动结构分别形成于侧壁39、40中，这些通道在分配器的整个 高度延伸。通过提供这些通道，改变边界层，使得流体流动更为贴切地沿着出口的形状。作为在面对挡板的流量分配器的一个或两个侧壁中连续竖向通道形式的扰动结 构的替代，扰动结构可以是不连续的通道、狭槽、凹槽、切口或在面对挡板的流量分配器的 一个或两个壁中的任何其它不连续结构。特别地，扰动结构的截面可能不是如图所示的矩 形，且替代地，例如，扰动结构可能只是凹陷的“陷窝”。此外，作为在流量分配器中提供这样 的扰动结构的替代或补充，在挡板的朝内壁中的一个或两个壁中也可提供扰动结构。就挡 板的相应外壁而言，其不必一定是凸出弯曲的形式，因为其可以是平直的，或实际上为任何 其它适当形式。此外，也有可能在挡板的所述外壁的一个或两个壁中，诸如上文关于流量分 配器37所提及的那些不连续结构可设置在所述壁中。在本发明的所有实施例中，从下端口或多个下端口(出口)产生会聚流动。利用数 学建模，验证出本发明产生会聚外流。特别地，通过检查结晶器中的迹线，本发明的水口使 流体流会聚从而使该流保持集中到结晶器的较深处直到能注意到回旋流图案。利用先有技 术已知的铸造水口，目的是使流扩散，从而等效迹线验证了流体流从下端口的蔓延和扩散。作为设置成与水口挡板的凹入弯曲的内壁相结合的扰动结构的替代，一个或多个 起伏凹凸可设置在水口的任何表面中，倘若这个表面位于或低于最上方的下侧出口高度 处，则其适合于在使用中引导熔融金属流经水口。最上方的下侧出口上方的中央流动钻孔 中的表面因而与这个另一发明方面无关。图8示出备选的(2端口)铸造水口 46形式的下端部，且示出了在四个“引导”流 动表面中的各种形式的扰动结构，即包括47至50。铸造水口具有一对相反指向的向下倾斜的侧出口 51、52。水口的内结构底部形成 为部分圆锥形表面，且其顶端53在水口的中心轴线上。因此，每个出口的上表面由限定中 央流动通路的水口壁下端限定且每个出口的下表面在水口底部由内圆锥形结构的倾斜表 面限定。出口 51的上表面和下表面分别由54、55表示，而对于出口 52，则分别等效地使用 数字56、57表示上表面和下表面。如图8和图9所示，表面54设置有V形凹槽54a的形式的扰动结构，而表面56 设置有凹入陷窝56a。出口 51的下表面在其表面55形成为具有内基部被整平的V形凹槽 55a,而出口 52的表面57形成为具有半圆形截面的凹槽57a。这些只是扰动结构/不连续 结构类型的示例和它们可应用到的水口流动引导表面的示例。如先前所提到的，提供扰动 结构改变边界层，产生更贴切地沿着端口形状的流体流动。因而改进了端口利用且通过减 小边界条件的影响而使熔融金属流的动能分散在与水口的外部相对的水口内部。
权利要求
一种用于引导熔融金属从容器流动到结晶器内的水口，所述水口包括管道，所述管道沿着在使用期间竖直定向的轴线是细长的，所述水口具有至少一个上入口和至少一个下侧出口，位于或低于最上方的下侧出口的高度处的水口的任何表面中的至少一个表面中设置有一种扰动结构，这些表面适合于在使用中引导熔融金属。
2.根据权利要求1所述的水口，其特征在于，所述扰动结构是突起。
3.根据权利要求1所述的水口，其特征在于，所述扰动结构是凹陷结构。
4.根据前述权利要求中任一项所述的水口，其特征在于，设置至少一个挡板并在所述 至少一个挡板的内壁和/或外壁中设置所述扰动结构。
5.根据前述权利要求中任一项所述的水口，其特征在于，设置一种流量分配器，其具有 相对侧壁，并且所述扰动结构设置于所述相对侧壁之中的一个或两个壁里。
6.根据前述权利要求中任一项所述的水口，其特征在于，所述扰动结构设置在下侧出 口的壁中或在所有下侧出口中。
7.根据权利要求6所述的水口，其特征在于，所述扰动结构设置在下侧出口的上壁中 和/或下壁中或在所有下侧出口中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的水口，其特征在于，所述扰动结构是连续的。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的水口，其特征在于，所述扰动结构是不连续的。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的水口，其特征在于，所述扰动结构包括通道、狭 槽、凹槽、切口、陷窝或不连续结构中的一个或多个。
全文摘要
本发明涉及用于引导熔融金属从容器流动到结晶器内的水口。该水口包括管道，该管道沿着在使用期间竖直定向的轴线是细长的。该水口具有至少一个上入口和至少一个下侧出口，位于或低于最上方的下侧出口高度处的水口的任何表面中的至少一个表面中设置有扰动结构，该至少一个表面适合于在使用中引导熔融金属。
文档编号B22D41/50GK101905297SQ20101026077
公开日2010年12月8日 申请日期2007年5月21日 优先权日2006年6月1日
发明者J·帕拉福克斯-拉莫斯, R·D·莫雷尔斯 申请人:里弗雷克特里知识产权两合公司