用于分配高质量流量的薄板坯水口的制作方法

本发明涉及一种用于连续铸造金属或金属合金的薄板坯的浸入式水口，下文称为“薄板坯水口”。具体而言，本发明涉及具有特定形状从而允许对进入薄板坯铸模的极高流量的熔融金属实现更好的控制。本发明还涉及包括这种薄板坯水口的具有或不具有随后轧制的金属铸造设备。

背景技术：

在连续金属成形过程中，金属熔体被从一个冶金容器转移到另一个冶金容器，转移到铸模或工具。例如，如图1所示，钢包11填充有来自熔炉的金属熔体，金属熔体通过钢包长水口111转移到中间包110。然后，可以通过浇注水口将金属熔体从中间包110浇铸到铸模以形成板坯、钢坯、梁、薄板坯或钢锭。金属熔体借助于重力驱动通过浇注水口，例如薄板坯水口1，从中间包110流出，流量则由塞棒7来控制。塞棒是可移动地安装在浇注水口入口孔上方并与其同轴地(即竖直地)延伸的棒。塞棒与水口入口孔相邻的一端是塞棒头，并具有与所述入口孔的几何形状匹配的几何形状，从而当二者彼此接触时，水口入口孔被封堵。由中间包110流出并进入铸模的熔融金属的流量是由连续地上下移动塞棒从而控制塞棒头和水口孔之间的空间来控制的。

控制通过水口的熔融金属流量Q非常重要，这是因为流量的任何变化都会在形成于模具100中的熔融金属200m的弯月面的液位产生相应的变化。由于如下原因必须获得稳定的弯月面液位。液态润滑保护渣由成型铸坯的弯月面上的特殊粉末熔化而人为产生，并随流体流动而沿铸模壁分布。如果弯月面液位变化过大，则润滑保护渣倾向于聚集在波状弯月面的最凹下部分中，从而使其峰部暴露，导致无润滑保护渣或润滑保护渣分布不良，从而对铸模磨损和因而生产的金属零件表面有害。此外，弯月面液位变化过大还增加了润滑保护渣被捕获在正被铸造的金属零件内的风险，这当然会对产品质量有害。最后，弯月面液位的任何变化都会增加水口耐火外壁的侵蚀速率，因而降低了水口的使用寿命。

冶金技术的一个具体领域是生产金属薄带。传统上，通过冷轧来达到薄带的最终规格，这一工艺非常昂贵，因为从铸机生产的半成品需要冷却、存储，且经常需要运到新的工厂，并再次被加热以热轧成较厚的热轧条带，最终进行冷轧和退火。已经提出了多种方法将连铸机联接至热轧站，以便在从铸造阶段到热轧阶段通过连续或半连续工艺生产规格大约小于1.5mm的薄带，从而将能耗和水耗降低一半以上。例如，在WO92/00815、WO00/50189、 WO00/59650、WO2004/026497和WO2006/106376中描述这种工艺。特别地， WO2004/026497公开一种所谓的“无头”工艺(“endless”process)，其中从铸造阶段到轧制阶段金属物质总是没有任何中断地相连，当薄带达到最终厚度且在卷取机前时被切割成特定的长度。在这些生产线中，对于单条铸造生产线，能够达到每年高达400万吨的空前生产率。这些工艺中的连续铸造阶段必须允许生产薄板坯，而无需对从薄板坯铸模出来的板坯进行任何中间处理。薄板坯是宽度显著大于其厚度(其一般为大约30到120mm)的半成品。对于这些应用，除了生产率之外，为了进一步保证随后的轧制操作和温度，必须以高流量(高达5kg/min每毫米宽度)铸造例如薄钢板坯，这意味着例如对于2.1m宽的钢板坯，能够铸造高达每分钟10吨。必须使用非常特殊的水口，这种水口经常被称为这里所称的“薄板坯水口”。如图1和2所示，薄板坯水口1包括沿着纵向轴线X1延伸的管(该管通常为具有圆形截面的筒状，但并非必然如此)的上游部分，该上游部分以公知方式连接至上容器，诸如中间包110。其通常与塞棒组合地使用，以控制通过薄板坯水口的熔融金属 200的流量。在与所述上游部分相反的下游部分处，薄板坯水口沿着垂直于纵向轴线X1的第一横向轴线X2变薄，而沿着垂直于纵向X1和第一横向方向 X2二者的第二横向方向X3变宽，从而使其能够装配在铸模空腔内，同时与铸模壁保持必要的间隙。该下游部分经常被称为“扩散器”或“出口扩散部分”，并且设置有在吐出孔出口51d开口的两个前吐出孔(或端口)51。该扩散器可以随着板坯的形成而将熔融金属200喂入薄板坯模具100；并在其接触铸模冷壁时开始凝固成坯壳(200s)。

薄板坯水口的上游部分和下游部分通过连接部分连接至彼此，从而给薄板坯水口的总体上典型的铲状形状。如图2所示，薄板坯水口的孔包括中心孔50，该中心孔50包括入口孔并终止于分隔器10的水平处(在图3a中可最佳地看到)，从而限定包括薄板坯水口的出口孔口的两个吐出孔51。该中心孔 50包括上游孔部分50a和会聚孔部分50e。会聚孔部分50e的作用非常关键，这是因为中心孔50的关于纵向轴线X1基本轴对称的几何形状在平坦宽阔的出口扩散部分中延伸的吐出孔51(该吐出孔51关于由纵向轴线X1和第二横向轴线X3限定的平面Π2平面对称)的水平处急剧变化，因而极大地干扰了从水口的上游部分流动到下游部分的熔融金属的流动模式。因此，薄板坯水口的会聚孔部分50e必须确保熔融金属尽可能平稳地从薄板坯水口的上游部分流动到位于薄板坯水口的下游端的出口扩散部分。金属熔体必须尽可能合适地以低湍流水平(意味着小尺度的漩涡或没有大的湍流)、速度和压力变化最小地进入前端吐出孔51，因而沿着吐出孔壁没有流动分离，并因此沿着吐出孔51d具有尽可能均匀的流速。这里使用术语“薄板坯水口”来专门指代适合于将熔融金属从诸如中间包之类的冶金容器转移到薄板坯铸模的如上所述的这种水口。这明确地将其下游部分的外壁具有基本轴对称几何形状的所有水口从“薄板坯水口”的定义中排除。

由薄板坯铸模中的熔融金属和保护渣形成的弯月面(200m)液位的控制主要是针对通常的水口(参见图2)通过修改如上所述的塞棒7的塞棒头和薄板坯水口1的入口孔之间的距离来实现的。如上所述，该控制对于确保铸造金属零件的良好质量来说非常重要。然而，对于薄板坯的铸造来说，这由于薄板坯铸模的幅宽或厚度L非常薄而非常棘手和困难。实际上，因为这种铸模的垂直于纵向轴线X1的横截面面积L×W(面积＝幅宽或厚度L×宽度W) 减小，熔融金属流量Q的任何变化都会引起弯月面的液位发生相当大的变化，并且变化幅度显著高于具有较大横截面的其他类型的铸模，诸如用于较厚的梁、轮廓的铸模。

EP925132提出了一种薄板坯水口，其改进了熔融金属从诸如中间包之类的金属容器到薄板坯铸模的流动控制，并且在扩散器的水平处具有特定几何形状的薄板坯水口空腔。例如，位于会聚孔部分50e的一端水平处的两个前吐出孔的组合横截面面积低于位于水口的上游孔部分50a和会聚孔部分50e 之间的边界处的对应横截面面积。尽管这些吐出孔的侧壁在与纵向轴线X1 和第二横向轴线X3限定的平面Π2中向下发散，但是它们在分别由轴线X1、 X2和轴线X2、X3限定的平面Π1和Π3内会聚，因而使横截面在向下方向上减小。EP925132的图2中所示的薄板坯水口的连接部分的空腔壁显然是线性会聚的。

EP1854571公开了一种薄板坯水口，其集中于尖拱形分隔器的几何形状，该分隔器具有连续的轮廓以及位于顶点处包含在30°和60°之间的角。该分隔器在其下部中通过使其侧面朝向中间竖直轴线而对称地呈现圆锥形。该设计解决了在以上讨论的EP9251132中公开类型的薄板坯水口中出现的缺陷。具体而言，其防止了沿着流动分隔器的轮廓发生的流动的不稳定性和分离。流动分离在金属沿着流动分隔器的轮廓流动时导致涡流，从而引发静脉隔离 (vein partition)(流动分离)现象。这些涡流具有被液流拖拽到铸模内并与由相对的狭窄表面之间的过度流体摩擦(湍流相互作用)引起的湍流流动结合，两个相对的狭窄表面获得的出口流动导致不稳定性、不对称性和铸模流动模式的振荡以及流动朝向弯月面(浴面)过快循环而没有正确穿入液体熔池。

US7757747、WO9529025、WO9814292、WO02081128和DE4319195 中的每个都公开了具有分隔器的薄板坯水口，该分隔器具有基本小于以上描述的薄板坯水口的分隔器的高度，从而形成一对非常短的吐出孔。据认为，允许熔融金属在流动被分成两个不同的液流之后不久就从出口孔口流出不会允许形成(不被大规模漩涡干扰的)近似平行流线型的类似层流而进入到薄板坯铸模中。通过这种几何结构，不再可能清楚地区分中心孔的上游孔部分 50a和会聚孔部分50e。

US7757747公开了一种包括第一中心分隔器的薄板坯水口，该第一中心分隔器将由中心孔部分限定的流动路径分成两个子流动，并且该薄板坯水口进一步包括两个短分隔器，这两个短分隔器将每个子流动分成两个另外的子流动，从而产生包括四个吐出孔出口的水口。沿着第一方向，中心孔从入口孔连续地减小到第一分隔器(参见US7757747的图2)，并且因而无法被分成上游孔部分50a和会聚孔部分50e，这是因为整个中心孔连续地会聚。类似地， WO9814292和WO9529025示出了中心孔横截面，该中心孔横截面沿着第一方向连续地变薄，而沿着垂直于第一方向的第二方向连续地变宽，直到其到达分隔器(参见WO9814292的图15)。在所有情况下，前吐出孔都极其短。

在WO02081128中，中心孔的上游部分从圆形连续地演变成椭圆形横截面，并且如果可以将会聚孔部分50e标识为参照数字3，则其不会将中央孔终结，而是简单地沿着第一方向变薄，并沿着垂直于第一方向的第二方向变宽，直到其最终到达分隔器而沿着两个极其短的吐出孔将流动分开。DE4319195 公开了一种薄板坯水口，该薄板坯水口包括一个在水口的第一对称平面上线性地会聚并且在垂直于第一对称平面的第二对称平面上线性发散的清楚的会聚孔部分。同样，该会聚孔部分不会将中心孔终结，该中心孔作为薄的宽通道继续，直到其与分隔器相遇而形成两个吐出孔。

在现有技术中提出用于薄板坯水口的各种解决方案都还没有令人满意地满足对于以上所讨论的薄板坯水口以及在过程中将铸造阶段连续地联接到热轧阶段的严格流动要求。

主要要求可以如下所列：

a)可以以非常高的质量流量将熔融金属输送到铸模中；

b)将流体速度正确地分布在出口吐出孔上；

c)以稳定受控的流动模式(相同类型的再循环流动)在铸模中进行再循环流动；

d)液体金属和熔融铸模粉末界面(被称为“弯月面”)需要具有良好的稳定性。

本发明提出了一种薄板坯水口，该薄板坯水口对熔融金属到薄板坯铸模中的流动提供了优良的控制，其中该薄板坯可以直接被驱动到热轧阶段以生产具有期望规格(例如，<10mm)的薄带。该优点和其他优点在以下章节中讨论。

技术实现要素：

在所附的独立权利要求中限定本发明。在从属权利要求中限定优选实施方式。具体地说，本发明涉及一种用于铸造由金属制成的薄板坯的薄板坯水口，所述薄板坯水口具有几何形状，所述几何形状关于由纵向轴线X1和垂直于所述纵向轴线X1的第一横向轴线X2限定的第一对称平面Π1对称，并关于由所述纵向轴线X1和垂直于所述纵向轴线X1和所述第一横向轴线X2的第二横向轴线X3限定的第二对称平面Π2对称，所述薄板坯水口沿着所述纵向轴线X1从入口部分延伸到出口扩散部分；

-所述入口部分位于所述薄板坯水口的上游端并且包括平行于所述纵向轴线X1取向的入口孔；

-所述出口扩散部分位于所述薄板坯水口的下游端并且包括第一和第二出口孔口，所述出口扩散部分具有沿着所述第二横向轴线X3测量的宽度，该宽度比沿着所述第一横向轴线X2测量的所述出口扩散部分的厚度大至少三倍；以及

-连接所述入口部分和所述出口扩散部分的连接部分，所述薄板坯水口进一步包括：

-中心孔，该中心孔由孔壁限定并在所述入口孔处开口并从该入口孔开始沿着所述纵向轴线X1延伸，直到其在分隔器的上游端处封闭，所述中心孔包括：

上游孔部分，该上游孔部分包括所述入口孔并延伸高度Ha，且与高度为He的会聚孔部分相邻，从而与该会聚孔部分形成上游边界；

所述会聚孔部分，该会聚孔部分位于所述薄板坯水口的所述连接部分中并与高度为Hf的薄孔部分相邻；

所述薄孔部分，该薄孔部分位于所述薄板坯水口的所述扩散部分中并且终止于所述分隔器的上游端的水平处(ending at the level of the upstream end of the divider)，

-通过所述分隔器彼此分离且平行于所述第二对称平面Π2延伸的第一和第二前吐出孔，所述第一和第二前吐出孔从至少部分地在所述会聚孔部分的两个相对的壁上开口的第一和第二吐出孔入口延伸至所述第一和第二出口孔口，所述第一和第二前吐出孔具有沿着所述第一横向轴线X2测量的宽度 W51，该宽度W51总是小于沿着所述第一横向轴线X2测量的所述上游孔部分的宽度D2(X1)，

其特征在于，在所述薄板坯水口的沿着所述第一对称平面Π1的截面中，所述中心孔的壁的几何形状的特征在于如下：

-在所述上游孔部分的高度Ha的至少90％上，所述孔壁的任意点处的曲率半径ρa1趋向于无穷；

-所述会聚孔部分的孔壁的任意点处的曲率半径是有限的；并且

-所述薄孔部分的高度Hf与所述会聚孔部分的高度He之比不大于1，即 Hf/He≤1。

优选地，会聚孔部分的孔壁的任意点处的曲率半径不是在所述会聚孔部分的整个高度上都恒定(因而，排除了半球形的会聚孔部分)。

在本发明的环境中，术语“上游”和“下游”是当薄板坯水口操作并联接至中间包的底板或任何其他冶金容器时相对于熔融金属流动方向限定的(在图1至6中，所述方向为从顶部(上游)到底部(下游)的竖直方向)。

为了尽可能平行地保持流线型并防止流动分离，优选的是，从所述连接部分的入口部分向下到上游部分包括中心孔和前吐出孔，总的横截面面积保持相对恒定。具体而言，在垂直于纵向轴线X1的平面Π3上测量的所述中心孔以及所述第一和第二前吐出孔二者的总的横截面面积A(X1)的特征在于，所述总的横截面面积A(X1)相对于在上游边界处的总的横截面面积Aa的相对变化△A(X1)/Aa＝|Aa-A(X1)|/Aa对于与所述纵向轴线X1相交的任何从所述上游边界向下到所述会聚孔部分的高度He的70％平面Π3来说都不大于15％。在又一个优选实施方式中，优选的是，所述中心孔和前吐出孔的总的横截面面积在所述中心孔的整个高度永远都不增加，从而在所述会聚孔部分中，在垂直于所述纵向轴线X1的任意平面Π3上所述总的横截面面积A 关于所述平面Π3在所述纵向轴线X1上的位置的导数dA/dX1永远不大于0，即dA/dX1≤0。

在一个优选实施方式中，所述会聚孔部分被进一步分成两个孔部分：

-高度Hc的端部孔部分；和

-高度Hb的过渡孔部分，该过渡孔部分包含在所述上游孔部分和所述端部孔部分之间并与所述上游孔部分和所述端部孔部分相邻，因而在一端处与所述端部孔部分形成过渡边界，而在另一端处与所述上游孔部分形成所述上游边界，

并且其中在所述薄板坯水口的沿着所述第一对称平面Π1的截面中，所述会聚孔部分的壁的几何形状的特征在于如下：

-所述端部孔部分的孔壁的任意点处的曲率半径ρc1不大于1/2D2a，其中 D2a为在所述上游边界处所述中心孔的宽度，ρc1≤1/2D2a；

-所述过渡孔部分的孔壁的任意点处的曲率半径ρb1大于1/2D2a，并包含在5×ρc1和50×D2a之间；并且

所述过渡孔部分和所述端部孔部分的高度比Hb/Hc包含在3和12之间。

具体而言，所述端部孔和过渡孔部分中的至少一个的沿着平面Π1的截面形成圆弧。换言之，在所述薄板坯水口的沿着所述第一对称平面Π1的截面中测量的曲率半径ρb1在所述过渡孔部分的孔壁的任意点处是恒定的，并且/或者在所述薄板坯水口的沿着所述第一对称平面Π1的截面上测量的曲率半径ρc1在所述端部孔部分的孔壁的任意点处是恒定的。

在优选实施方式中，以上限定的所述薄板坯水口的中心孔的沿着对称平面Π的截面的几何形状也适用于沿着对称平面Π2的截面，更优选地，还适合于沿着包含所述对称轴线X1的平面Πi的任何截面。具体而言，除了所述第一和第二吐出孔入口外，以上针对所述薄板坯水口的沿着所述第一对称平面Π1的截面限定的所述会聚孔部分、所述过渡孔部分和所述端部孔部分的孔壁的曲率半径和高度比都同样适合于所述薄板坯水口的沿着所述第二对称平面Π2的截面并且优选沿着包括所述纵向轴线X1的任何平面Πi的截面。在更优选的实施方式中，所述会聚孔部分沿着垂直于纵向轴线X1的任何平面Π3具有椭圆形甚至圆形的横截面。在圆形横截面的情况下，所述中心孔部分 (不包括所述吐出孔入口)具有旋转几何形状。换言之，所述中心孔除了所述第一和第二吐出孔入口外都可以具有沿着垂直于所述纵向轴线X1的平面Π3的椭圆形或圆形横截面，该横截面具有分别沿着所述第一横向轴线X2和所述第二横向轴线X3的主直径D2(X1)、D3(X1)，所述主直径D2(X1)、D3(X1) 的尺寸沿着所述纵向轴线X1演变，使得比率D2(X1)/D3(X1)保持恒定，其中 D2(X1)≤D3(X1)。这意味着沿着所述纵向轴线X1圆保持相同比例的圆，椭圆保持相同比例的椭圆(相似扩大(homothety))。

优选的是，所述侧吐出孔入口大部分位于所述会聚孔部分中。所述侧吐出孔入口的上游端优选接近所述上游边界定位。类似地，所述侧吐出孔入口的下游端接近所述会聚孔部分的下游端。所述侧吐出孔入口的下游端和所述会聚孔部分的下游端之间的距离由所述薄孔部分的高度Hf来限定，因此，该薄孔部分应该相对较小。具体而言，所述薄板坯水口的上游端和所述第一和第二吐出孔入口之间的距离包含在Ha的(1±7％)内和/或Ha(1±0.07mm) 内和/或(Ha±30mm)内。关于高度Hf，优选的是所述薄孔部分的高度Hf 与所述会聚部分的高度He的比不大于50％，优选不大于25％，更优选不大于15％。采取另一个参考，优选的是，所述薄孔部分的高度Hf与中心孔的高度(＝Ha+He+Hf)的比小于15％，优选不大于10％，更优选不大于7％，最优选不大于3％。

如上所述，前吐出孔优选在所述会聚孔的位置与中心孔部分相遇(其可以延伸到所述会聚孔部分的上游和下游一点)。在由轴线X1、X3限定的平面Π2上，所述第一和第二前吐出孔优选相对于所述纵向轴线X1以角度α与所述中心孔相遇，该角度α包含在5°和45°之间，更优选在15°和40°之间，更优选在20°和30°之间。在所述上游边界处所述第一和第二前吐出孔沿着所述第一横向轴线X2的宽度W51与所述中心孔沿着所述第一横向轴线X2的宽度D2a的比W51/D2a优选包含在15％和40％之间，优选在24％和32％之间。

将一个前吐出孔与另一个前吐出孔分开的分隔器的几何形状比较重要。在沿着第二对称平面Π2的界面中，与所述第一和第二吐出孔51接触的分隔器10的特征在于，这两个壁沿着所述纵向轴线X1从所述分隔器的上游端10u 延伸到所述薄板坯水口的下游端，首先发散直到所述分隔器10达到其最大宽度，并且然后会聚直到它们到达所述薄板坯水口的下游端。所述分隔器10的高度Hd优选是所述会聚孔部分的高度He的至少两倍大，即Hd≥2He。这确保了所述前吐出孔足够长以允许在将熔融金属从中心孔输送到前吐出孔之后熔融金属流动形成流线型。

在一个优选实施方式中，在所述过渡边界处所述中心孔的沿着所述第一横向轴线X2的宽度D2b与在所述上游边界处所述中心孔的沿着所述第一横向轴线X2的宽度D2a之比D2b/D2a包含在65％和85％之间，优选在70％和 80％之间。

本发明还涉及一种用于薄板坯的金属铸造设备，该金属铸造设备包括冶金容器，诸如中间包，该中间包设置有与以上限定的薄板坯水口流体连通的至少一个出口，所述薄板坯水口的出口扩散部分被插入在薄板坯铸模中。具体而言，该金属铸造设备是在WO92/00815、WO/0050189、WO00/59650, WO2004/026497和WO2006//106376中的任一个中描述的类型。

附图说明

为了更充分地理解本发明的本质，可参考如下结合附图进行的详细描述，在附图中：

图1表示用于铸造薄板坯的铸造设备的总体视图。

图2示出了根据本发明的具有钢包保护水口的中间包的底部的侧剖视图。

图3示出了根据本发明的第一实施方式的薄板坯水口在三个垂直平面Π1、Π2、Π3上的剖视图。

图4示出了平面Π1、Π2上的剖视图的一部分的放大图，该部分包括在图3中表示的薄板坯水口的会聚孔部分。

图5示出了根据本发明的第二实施方式的薄板坯水口在三个垂直平面Π1、Π2、Π3上的剖视图。

图6示出了平面Π1、Π2上的剖视图的一部分的放大图，该部分包括在图5中表示的薄板坯水口的会聚孔部分。

图7是将根据本发明的薄板坯水口(如图5和6中所示)的中心孔和侧吐出孔的横截面面积与现有技术的薄板坯水口的中心孔和侧吐出孔的横截面面积进行比较的曲线图。

图8示出了图7的曲线图的放大图，集中于各种薄板坯水口的会聚孔部分。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的薄板坯水口1适合于联接至中间包110的底板，用于将熔融金属200从所述中间包110转移到薄板坯铸模100。如图2 所示，薄板坯铸模的特征在于在第一横向方向X2上具有较小尺寸L。结果，薄板坯水口被插入该薄板坯铸模内的部分也必须在所述第一横向方向X2上非常薄。熔融金属通过薄板坯水口的流量一般由塞棒7来控制，塞棒7的功能在本说明书的背景技术部分已经进行了描述。

根据本发明的薄板坯水口包括图3和5中所示的三个主要部分：

-入口部分，该入口部分位于该薄板坯水口的上游端并且包括垂直于纵向轴线X1取向的入口孔50u；该入口部分适合于被联接至中间包110的底板；

-出口扩散部分，该出口扩散部分位于该薄板坯水口的下游端并且包括第一和第二出口孔口51d，所述出口扩散部分具有沿着所述第二横向轴线X3测量的宽度，该宽度比沿着所述第一横向轴线X2测量的所述出口扩散部分的厚度大至少三倍；所述扩散部分适合于被插入薄板坯铸模中；以及

-在所述入口部分和所述出口扩散部分之间形成过渡的连接部分。

该薄板坯水口包括将入口孔50u流体连接至出口孔口51d的孔系统。如图2、3和5所示，该孔系统包括：

-中心孔50，该中心孔50由孔壁限定并在所述入口孔50u处开口并从该入口孔开始沿着所述纵向轴线X1延伸，直到其在分隔器10的上游端10u处封闭，所述中心孔包括：

上游孔部分50a，该上游孔部分包括所述入口孔并延伸高度Ha，且与高度为He的会聚孔部分50e相邻，从而与该会聚孔部分形成上游边界5a；

所述会聚孔部分50e，该会聚孔部分位于所述薄板坯水口的所述连接部分中并与高度为Hf的薄孔部分50f相邻；

所述薄孔部分50f，该薄孔部分50f位于所述薄板坯水口的所述扩散部分中并且终止于所述分隔器10的上游端10u的水平处，

-通过所述分隔器10彼此分离且平行于所述第二对称平面Π2延伸的第一和第二前吐出孔(或端口)51，所述第一和第二前吐出孔从至少部分地在所述会聚孔部分50e的两个相对的壁上开口的第一和第二吐出孔入口51u延伸至所述第一和第二出口孔口51d，所述第一和第二前吐出孔51具有沿着所述第一横向轴线X2测量的宽度W51，该宽度W51总是小于沿着所述第一横向轴线X2测量的所述上游孔部分50a的宽度D2(X1)。

上游端和出口扩散部分的几何形状如此不同(前者基本为圆筒状，而后者为薄的、扁平的并且向外张开)，以致于位于所述部分中的孔系统的几何形状必须也显著不同。上游孔部分大体基本棱柱形、椭圆形，经常为圆筒状但不是必须为圆筒状，或者侧壁以不大于5°的适当角度向下缓慢会聚的类似形状。在所有情况下，除了几何形状必须与塞棒头7的形状匹配的上游孔口50u 之外，上游孔部分50a的壁都是基本笔直的，即在所述上游孔部分50a的高度Ha的至少90％(不包括入口孔的区域)上的所述孔壁的任意点处的曲率半径ρa1趋向于无穷。另一方面，前吐出孔51沿着第一横向方向X2变窄而使得它们能够安装在薄板坯铸模中，并且沿着第二横向方向X3向外张开以(沿着垂直于纵向轴线X1的任意平面Π3)维持足够的横截面面积。

通过上游孔部分和前吐出孔之间的这种不同的孔几何形状，显然连接孔部分的几何形状(定义为所述孔系统的与薄板坯水口的连接部分对应且包括会聚部分50e、薄孔部分50f以及前吐出孔51的上游部分的截面)对于确保熔融金属在所谓“全湍流建立体系”(未被大规模漩涡所干扰)的与流线型相关的类似层流状态下从薄板坯水口的上游孔50u平稳流动到下游出口孔口 51d来说最为重要。在根据本发明的薄板坯水口的沿着第一对称平面Π1的截面中，在所述连接孔部分50e处中心孔50的壁的几何形状特征在于如下：

-所述会聚孔部分50e的孔壁的任意点处的曲率半径是有限的；并且

-所述薄孔部分50f的高度Hf与所述会聚部分50e的高度He之比不大于 1，Hf/He≤1。

图3和4示出了本发明的第一实施方式。图3(b)和4(b)示出了沿着与轴线X1、X2限定的第一对称平面Π1的截面。通过比较图3和4的视图(a)和(b)，可以清楚地看到，在当前实施方式中，上游孔部分50a是具有笔直壁的圆筒状，而会聚孔部分50e的壁为弯曲的。还重要的是，中心孔50没有过远地穿入薄板坯水口的出口扩散部分中。也就是说，薄孔部分50f的高度 Hf不能大于会聚孔部分50e的高度He，即Hf/He≤1。优选的是，Hf/He≤0.5，更优选Hf/He≤0.25，最优选Hf/He≤0.15。这对于确保前吐出孔中的熔融金属的流动足够长以在其到达前吐出孔出口51d之前在右侧方向(right direction) 上使其呈流线型。薄孔部分50f优选具有不大于中心孔50的总高度 Ha+He+Hf的15％、优选不大于10％、更优选不大于7％，最优选不大于3％的高度Hf。在一个具体实施方式中，Hf＝0。

此外，有利的是，孔系统的位于中心孔50的下游的部分(即位于分隔器10的上游端10u的下游并对应于所述分隔器的高度Hd的部分)的高度 Hd足够大，以便使流动在第一和第二前吐出孔51中呈流线型。具体而言，所述分隔器10的高度Hd优选是所述会聚孔部分50e的高度He的至少两倍大，即Hd≥2He。沿着所述第一和第二前吐出孔51的流动的最佳流线型是通过特征在于沿着所述第二对称平面Π2的界面中的两个壁的分隔器10获得的，所述两个壁沿着纵向轴线X1从分隔器的上游端10u延伸到薄板坯水口的下游端，首先发散直到分隔器达到其最大宽度，并且然后会聚直到它们到达所述薄板坯水口的下游端。

图5和6示出了本发明的优选实施方式。其中所述会聚孔部分50e被进一步分成两个孔部分：

-高度Hc的端部孔部分50c；和

-高度Hb的过渡孔部分50b，该过渡孔部分包含在所述上游孔部分50a 和所述端部孔部分50c之间并与所述上游孔部分(50a)和所述端部孔部分50c 相邻，因而在一端处与所述端部孔部分形成过渡边界5b，而在另一端处与所述上游孔部分形成所述上游边界5a，

并且其中在所述薄板坯水口的沿着所述第一对称平面Π1的截面中，所述会聚孔部分50e的壁的几何形状的特征在于如下：

-所述端部孔部分50c的孔壁的任意点处的曲率半径ρc1不大于1/2D2a，其中D2a为在所述上游边界5a处所述中心孔50的宽度，即ρc1≤1/2D2a；

-所述过渡孔部分50b的孔壁的任意点处的曲率半径ρb1大于1/2D2a，并包含在5×ρc1和50×D2a之间。

在该实施方式中，所述过渡孔部分50b的高度Hb应该基本大于所述端部孔部分50c的高度Hc。具体而言，高度比Hb/Hc应该被包含在3和12之间。

在优选实施方式中，过渡孔部分50b和端部孔部分50c中的至少一个或二者的曲率半径ρb1、ρc1在对应的孔部分50b、50c的整个高度Hb、Hc上是恒定的，因而限定对应的圆弧，如图6(b)所示。

优选的是，排除第一和第二吐出孔入口51u的存在，则以上针对沿着由轴线X1、X2限定的对称平面Π1限定的中心孔50的几何形状加以必要改动同样适合于沿着由轴线X1、X3限定的对称平面Π2的截面(如图6(a)所示)(其中在该平面Π2中的曲率半径由ρb2、ρc2表示)，甚至更优选地适合于沿着包含纵向轴线X1的任何平面Πi的截面。例如，所述中心孔50的所述会聚孔部分50除了所述第一和第二吐出孔入口51u外都可以具有沿着垂直于所述纵向轴线X1的平面Π3的椭圆形或圆形横截面，该横截面具有分别沿着所述第一横向轴线X2和所述第二横向轴线X3的主直径D2(X1)、D3(X1)，主直径D2(X1)、D3(X1)的尺寸沿着所述纵向轴线X1演变，使得比率 D2(X1)/D3(X1)保持恒定，其中D2(X1)≤D3(X1)。如果D2(X1)＝D3(X1)，则会聚部分50e的横截面为圆形。如果上游孔部分50e为圆筒状，则中心孔50 (不包括吐出孔入口51u)的几何形状为旋转几何形状。

连接孔部分，包括会聚孔部分50e和薄孔部分50f，必须允许从上游边界处5a的宽度D2a的圆筒状(或类似)的孔到比宽度D2a相当小的宽度W51 的前吐出孔的平稳流动过渡。例如，沿着第一横向轴线X2测量，所述第一和第二前吐出孔沿着所述第一横向轴线X2的宽度W51与在所述上游边界5a处所述中心孔50沿着所述第一横向轴线X2的宽度D2a的比W51/D2a一般包含在15％和40％之间，优选在24％和32％之间。在如图5和6所示的其中会聚孔部分50e包括过渡孔部分50b和端部孔部分50c的水口情况下，优选的是，在所述过渡边界5b处所述中心孔50的沿着所述第一横向轴线X2的宽度D2b与在所述上游边界5a处所述中心孔50的沿着所述第一横向轴线X2 的宽度D2a之比D2b/D2a包含在65％和85％之间，优选在70％和80％之间。由于第一和第二前吐出孔51在会聚孔部分的水平处连接至中心孔50，这种几何形状允许全部孔区域(将在下面更详细地讨论)在过渡孔部分50b中沿着纵向轴线X1保持相对恒定，然后在端部孔部分50c快速减少以在使流动从中心孔50朝向前吐出孔51转移之前积累均匀的压力场。

由于沿着纵向轴线X1熔融金属中的压力与孔系统的横截面面积成比例，因此重要的是该孔系统的总横截面面积在中心孔50内保持基本恒定，直到接近其端部10u，其中金属熔体必须被转移向第一和第二前吐出孔51。在上游孔部分中，这是笔直前进的，因为其是棱形的或略微圆锥形的，但最大的问题是尽可能向下更远地保持沿着会聚孔部分50e的横截面面积基本恒定。“基本恒定”和“尽可能向下更远地”，在这里是指，总的横截面面积A(X1)相对于在上游边界5a处的总的横截面面积Aa的相对变化ΔA(X1)/Aa＝|Aa-A (X1)|/Aa对于与所述纵向轴线X1相交的任何从所述上游边界5a向下到所述会聚孔部分50e的高度He的70％的平面Π3来说都不大于15％。这意味着，能够在非常短的距离(最多相当于He的大约30％)内在熔融金属内积累起压力，以朝向第一和第二前吐出孔51将金属流动偏向侧方。具体而言，有利的是，横截面面积决不增加，直到熔融金属到达中心孔部分的端部10u(10u对应于分隔器10的上游端)，并且全部流到前吐出孔内。实际上，连接部分中的横截面面积的增加将产生导致湍流和形成大漩涡的流动分离。这种要求可以根据在会聚孔部分50e中在垂直于所述纵向轴线X1的任意平面Π3上的总的横截面面积A关于所述平面Π3在所述纵向轴线X1上的位置的导数 dA/dX1来表示；所述导数有利的是永远都不大于0，即dA/dX1≤0。

在垂直于纵向轴线X1的平面Π3上的总的横截面孔面积(该面积是中心孔50的横截面面积和第一和第二前吐出孔51的横截面面积的和，并且是沿着纵向轴线X1的位置的函数)的演变取决于第一和第二前吐出孔51被连接至中心孔50的位置。如上所述，第一和第二前吐出孔的吐出孔入口51u必须至少部分地在会聚孔部分50e的两个相对的壁上开口。优选地，第一和第二吐出孔入口51u的上游端被定位成相当接近上游边界5a。“相当接近”在这里是指，第一和第二吐出孔入口51u的上游端从上游边界分离开不大于上游孔部分50a的高度Ha的75％。实践上，无论在上游边界5a的上游或下游，这都不应该代表大于30mm。第一和第二吐出孔入口51u的下游端取决于以上已经描述的薄孔部分的高度Hf。高度Hf也优选相当小，并且优选的是，第一和第二前吐出孔的前吐出孔入口51u的高度的至少80％，优选至少90％，更优选至少95％，包含在会聚孔部分50e内。

在由轴线X1、X3限定的平面Π2上(参见图3至6的视图(a))，所述第一和第二前吐出孔51优选相对于所述纵向轴线X1以角度α与所述中心孔 50相遇，该角度α包含在5°和45°之间，更优选在15°和40°之间，更优选在 20°和30°之间。另一方面，第一和第二吐出孔出口51d中的每个限定了基本垂直于纵向轴线X1的平面，其中“基本垂直”在这里是指90°±5°。这意味着熔融金属必定在基本平行于纵向轴线X1的方向上从薄板坯水口流出。

图7和图8比较了对于各种薄板坯水口(它们的不同之处在于会聚孔部分的几何形状)来作为沿着纵向轴线X1的位置的函数的总的孔面积(中心孔 50加上前吐出孔51的面积)的演变，其中：

-黑色圆圈代表如图5和6所示的根据本发明的薄板坯水口；

-白色圆圈代表具有半球形几何形状的会聚孔部分；

-灰色圆圈代表具有圆锥形几何形状的会聚孔部分；以及

-白色三角形代表具有“平头螺丝起子”几何形状的会聚孔部分，其中两个会聚平坦壁在会聚区域的末端处交汇。

在图7中可以看到孔的横截面面积如何从上游边界5a向下演变成第一和第二吐出孔出口51d。由于只有图7和8中绘制的各种水口的会聚孔部分50e 的几何形状发生改变，因此出口扩散部分中的孔的孔横截面面积对于所有水口都是共用的，并且因此这些曲线被叠加。为了清楚起见，在所述扩散部分中仅呈现了根据本发明的水口黑色圆圈。由于沿着第一横向轴线X2测量的宽度W51在纵向轴线X1上和在第二横向轴线X3上都是恒定的，因此中心孔 50的下游的曲线的形状代表在沿着平面Π2中分隔器10的壁几何形状。重要的是需要注意，分隔器10的高度Hd大于会聚部分的高度He，因而允许熔融金属流动在其从中心孔50传送到第一和第二前吐出孔51是改变方向，并且沿着由第一和第二吐出孔出口51d的取向所要求的接合方向再次对齐。

可以看出，对于不同的水口类型来说，在连接孔部分中，孔系统的横截面面积的变化非常不同。图8是图7的曲线图的放大图，在上游边界5a向下到分隔器10的上游端10u之间的连接孔部分进行放大。可以看出，对于半球形会聚孔部分(白色圆圈)，孔横截面面积A在迅速下降之前首先增加，直到中心孔10u的末端。如以上讨论的，横截面面积的增加产生的流动分离和流动回流，结果产生了大漩涡和流动不稳定，这会在导致在流动方向转向吐出孔51时形成气泡和湍流。因此，这种解决方案并不方便良好地控制通过薄板坯水口的流动。相反，圆锥形会聚孔部分(灰色圆圈)的孔横截面面积首先非常迅速地下降，然后在到达中心孔50的末端之前增加。同样，孔横截面面积的这种突然下降和增加产生了湍流，因此不令人满意。包括具有“平头螺丝起子”几何形状的会聚部分(白色三角形)的薄板坯水口相对于半球形和圆锥形几何形状来说获得了改进，这是因为孔横截面面积没有任何增加地连续地减小，直到其到达中心孔50的末端。如从包含两个锥形平坦壁的几何形状所期望的，孔横截面面积在连接孔部分的整个高度He上基本线性地减小。尽管通过在会聚部分的整个高度He上规则减小孔的横截面面积而对前两种几何形状实现了改进，但是压力均匀地分布，并去因此不能足够强烈地驱动从中心孔50旁朝向第一和第二前吐出孔51的流动。

根据本发明的水口中的孔横截面面积(黑色圆圈)在会聚部分的高度He 的大半部分(优选70％)上非常缓慢地减小，然后更迅速地减小，因而在中心孔50的末端处的小空间上产生压力场，以便以均匀的压力场将熔融熔体流动重新导向第一和第二前吐出孔51。这有利于沿着第一和第二前吐出孔形成流线型流动，且基本不会有在中心孔下游形成流动分离和湍流的危险。

当然，为了避免湍流提高流动的流线型比较重要，但是其还可以通过塞棒对流量进行更为精确的控制。薄板坯水口的入口孔处的流量通过改变塞棒头7和入口孔50u的座之间的距离来控制。如果沿着水口的纵向轴线X1的孔横截面面积的演变由于压力场的局部变化而产生了流动剖面的不均匀性，利用塞棒控制流量的精度变得极其困难，并且流量很可能随着时间而波动。如在背景技术中所描述的，这种流量波动不可避免地产生了在薄板坯铸模中的弯月面液位的波动，从而带来了以上讨论的结果。因此，本发明通过薄板坯水口允许比迄今为止获得薄板坯水口更好地控制熔融金属的流动和流量。这对高速铸造设备更为引人注意，在高速铸造设备中，以每毫米宽度W大约 5kg/min的高铸造速率铸造金属诸如钢，这意味着对于1500mm的板坯，每分钟大约6-7吨的速率。具体而言，本发明的水口使用于新设备，该新设备适合于以高达10吨每分钟的速率铸造更厚和更宽的板坯。根据本发明的水口允许在以上第4段中描述的铸造设备中高速铸造宽度W从1600mm一直到 2000mm或更大的大型薄板坯。

本发明的薄板坯水口特别适合于用在铸造薄板坯的金属铸造设备中，这种金属铸造设备包括设置有与这种薄板坯水口流体联通的至少一个出口的中间包。通过根据本发明的薄板坯水口对熔融金属流动进行良好控制使得该薄板坯水口理想地用于铸造设备，这种铸造设备连接至用于以高精度连续生产薄规格的金属薄带的热轧单元。在意大利的克雷莫纳，由Acciaieria Arvedi Spa 在用于平轧产品的小型钢厂中使用Arvedi技术测试根据本发明的薄板坯水口，Arvedi技术配备有被称为无头薄带生产线(ESP)的三个铸造生产线和热轧单元。以高精度恒定速率成功地连续生产了规格在0.8mm和12.7mm之间的条带。监测薄板坯水口中弯月面的液位变化，且该变化保持非常适度，从而在生产试验中没有产生任何问题。

薄带的这种无头薄带生产相比于传统的薄带生产技术可以节省相当的能量、水和设备成本。然而，对从薄板坯水口出来的金属流动以及因而对来自薄板坯水口的流动控制的要求比不连续过程中高得多，其中在进行冷轧之前可以对半成品进行某种处理以减少缺陷。通过根据本发明的薄板坯水口获得优异流体控制允许连续生产具有均匀特性的薄带，并且最佳用于ESP单元中。