РАЗЛИВОЧНЫЙ СТАКАН ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОТОКА ЖИДКОГО МЕТАЛЛА

В ходе обработки жидких металлов, а в особенности жидкой стали, металл течет из одного резервуара, такого как разливочное устройство, в другой резервуар, такой как литейная форма (изложница), под действием силы тяжести (самотеком). В ходе протекания потока жидкого металла из одного резервуара в другой разливочный стакан может направлять и ограничивать этот поток.

Управление скоростью потока (расходом) жидкого металла имеет важное значение. Для этого используют регулятор расхода, который позволяет изменять скорость потока жидкого металла. Обычно в качестве регулятора используют стопорный стержень, хотя может быть использован и любой другой подходящий регулятор расхода, известный специалистам. Таким образом, в типичном процессе непрерывной разливки стали жидкий металл из разливочного устройства течет в литейную форму через разливочный стакан, в котором используют стопорный стержень для регулирования расхода.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой в типичном процессе непрерывной разливки стали показано разливочное устройство 15, которое расположено непосредственно над литейной формой 20, причем разливочный стакан 25 соединен с разливочным устройством 15. Разливочный стакан 25 образует канал, через который жидкий металл 10 течет из разливочного устройства 15 в литейную форму 20. Стопорный стержень 30 в разливочном устройстве 15 управляет скоростью потока через разливочный стакан 25.

На фиг.2 показан схематично в увеличенном масштабе вид входного участка 35 и нижнего участка 40 проходного отверстия (расточки) 45 разливочного стакана 25 на фиг.1. На фиг.2 показано, что входной участок 35 простирается между точками 1 и 2, а нижний участок простирается между точками 2 и 3. Входной участок 35 отверстия разливочного стакана 45 имеет жидкостной контакт с жидким металлом 10, который содержится в разливочном устройстве 15. Нижний участок 40 отверстия разливочного стакана 45 частично погружен в жидкий металл 10 в литейной форме 20.

Вновь обратимся к рассмотрению фиг.1, на которой можно видеть, что для регулировки расхода жидкого металла из разливочного устройства 15 в литейную форму 20 следует поднимать или опускать стопорный стержень 30, причем поток жидкого металла 10 полностью прекращается, если стопорный стержень 30 полностью опущен таким образом, что носовая часть 50 стопорного стержня 30 блокирует входной участок 35 отверстия разливочного стакана 45. При подъеме стопорного стержня 30 из полностью опущенного положения жидкий металл может протекать через разливочный стакан 25, причем скорость потока через разливочный стакан 25 регулируется за счет выбора положения стопорного стержня 30. При подъеме стопорного стержня 30 носовая часть 50 стопорного стержня 30 отходит от входного участка 35 отверстия разливочного стакана 45, что увеличивает открытое пространство между носовой частью стопорного стержня 50 и разливочным стаканом 25 и позволяет увеличить скорость потока.

На фиг.3 показана другая система подачи жидкого металла из разливочного устройства 15 в литейную форму 20. Эта система имеет зону управления 55, расположенную между носовой частью 50 стопорного стержня 30 и входным участком 35 отверстия разливочного стакана 45. Зона управления 55 является самой узкой частью открытого канала между носовой частью 50 и входным участком 35 отверстия разливочного стакана 45. Жидкий металл 10 в разливочном устройстве 15 имеет статическое давление, созданное силой тяжести. Если стопорный стержень 30 не блокирует поступление жидкого металла 10 в отверстие 45 разливочного стакана, то давление жидкого металла 10 в разливочном устройстве 15 побуждает жидкий металл 10 вытекать из разливочного устройства 15 и поступать в разливочный стакан 25.

В том случае когда поток не является максимальным, характеристики открытого пространства зоны управления 55 играют первичную роль в регулировании скорости потока в разливочный стакан 25 и затем в литейную форму 20.

На фиг.4 графически показаны изменения давления жидкого металла 10, вытекающего из разливочного устройства 15 через зону управления 55 и в разливочный стакан 25. Как это показано на фиг.3, точка 60 расположена внутри жидкого металла 10, который содержится в разливочном устройстве 15, выше по течению относительно зоны управления 55. Точка 65 расположена внутри открытого отверстия 45 разливочного стакана 25 ниже по течению относительно зоны управления 55. Как это показано на фиг.4, общий тренд давления жидкого металла 10 между точками 60 и 65 имеет резкое падение давления через зону управления 55. Давление в точке 60 обычно выше атмосферного давления, а давление в точке 65 обычно ниже атмосферного давления, в результате чего создается парциальный (частичный) вакуум.

На фиг.5 показан двухкомпонентный разливочный стакан, который имеет входную вставку 70 и основной корпус 75. Входной участок 35 отверстия 45 простирается между точками 21 и 22, 23, а нижний участок 40 простирается между точками 23 и 24.

На фиг.6 показана система подачи жидкого металла из разливочного устройства 15 в литейную форму 20, которая включает в себя разливочный стакан на фиг.5. На фиг.7 показан тренд давления от точки 60 до точки 65 в системе на фиг.6. Отметим, что тренд давления для системы фиг.6 в основном аналогичен фиг.3 и имеет резкое падение давления через зону управления 55.

Подводя итог, можно сказать, что разливочные стаканы фиг.1, 3 и 6 создают резкое падение давления через соответствующую зону управления. Это резкое падение давления делает систему регулирования расхода чрезмерно чувствительной. Чрезмерно чувствительная система регулирования расхода заставляет оператора непрерывно крутить регулятор для выбора его правильного положения, чтобы установить размер и/или геометрию зоны управления для стабилизации желательной скорости потока. Непрерывное регулирование расхода создает турбулентность на входном участке 35 и в отверстии 45 разливочного стакана 25.

Турбулентность, которая создана непрерывным регулированием, а также парциальным вакуумом и низким давлением, создаваемым ниже по течению относительно зоны управления, ускоряет эрозию вокруг зоны управления, причем может происходить, например, эрозия носовой части 50 стопорного стержня 30 и входного участка 35 отверстия разливочного стакана 45. Самая высокая степень эрозии обычно имеет место непосредственно ниже по течению относительно зоны управления 55. Эрозия в зоне управления 55 и вокруг нее обостряет проблемы, связанные с регулированием расхода жидкого металла. Нежелательные изменения критической геометрии зоны управления 55, возникающие в результате эрозии, ведут к непредсказуемым вариациям расхода, что в конечном счете может приводить к полному отказу системы регулирования расхода.

Обратимся вновь к рассмотрению фиг.5, на которой показано, что для снижения эрозии и, следовательно, улучшения регулирования расхода, в некоторых разливочных стаканах используют входную вставку 70, которая обычно изготовлена из эрозионно-стойкого тугоплавкого материала. Однако использование входной вставки 70 в разливочном стакане 40 не влияет на резкое падение давления через зону управления 55, как это показано на фиг.4 и 7. Следовательно, регулирование расхода в известных разливочных стаканах остается чрезмерно чувствительным к движениям регулятора за счет размера и формы их зоны управления, что затрудняет достижение стабилизации расхода.

В связи с изложенным, существует необходимость создания разливочного стакана, который позволяет снизить до минимума перепад (разность) давлений через зону управления разливочного стакана, снизить эффекты возникающей за счет этого эрозии и стабилизировать размер и форму зоны управления, в результате чего снижаются колебания регулирования и увеличивается стабильность потока.

Настоящее изобретение позволяет удовлетворить указанную выше потребность за счет создания разливочного стакана с минимальным перепадом давлений через зону управления разливочного стакана, что позволяет снизить эффекты возникающей за счет этого коррозии и стабилизировать размер и форму зоны управления, в результате чего снижаются колебания регулирования и увеличивается стабильность потока.

С этой целью настоящее изобретение предусматривает создание разливочного стакана для управления потоком жидкого металла, который содержит входной участок для приема жидкого металла, а также регулятор, такой как стопорный стержень, выполненный с возможностью перемещения между открытым и закрытым положениями относительно входного участка, для соответствующего разрешения и запрета потока через разливочный стакан. Входной участок и регулятор образуют между собой зону управления. Предусмотрен модулятор давления, установленный ниже по течению относительно зоны управления, который позволяет снизить до минимума перепад давлений через зону управления. Модулятор давления сужает поток ниже по течению относительно зоны управления.

Изобретение позволяет снизить резкое падение давления через зону управления за счет модулирования давления в разливочном стакане ниже по течению относительно зоны управления, снизить турбулентность потока непосредственно ниже по течению относительно зоны управления и исключить чрезмерную чувствительность регулирования расхода. Разливочный стакан в соответствии с настоящим изобретением позволяет снизить эрозию в области зоны управления и стабилизировать регулирование расхода, что улучшает управление потоком и контроль уровня (металла) в литейной форме в ходе непрерывной разливки.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг.1 показана схематично система регулирования расхода жидкого металла, которая включает в себя известный разливочный стакан для непрерывной разливки.

На фиг.2 показаны схематично в увеличенном масштабе входной участок и нижний участок отверстия (расточки) известного разливочного стакана на фиг.1.

На фиг.3 показана схематично система регулирования расхода жидкого металла, которая включает в себя другой известный разливочный стакан для непрерывной разливки.

На фиг.4 показан график давления жидкого металла, протекающего через систему на фиг.3.

На фиг.5 показаны схематично в увеличенном масштабе альтернативные входной участок и нижний участок отверстия известного разливочного стакана на фиг.1.

На фиг.6 показана схематично система регулирования расхода жидкого металла, которая включает в себя разливочный стакан на фиг.5.

На фиг.7 показан график давления жидкого металла, протекающего через систему на фиг.6.

На фиг.8 показана схематично система регулирования расхода жидкого металла, которая включает в себя первый вариант разливочного стакана для непрерывной разливки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.9 показаны схематично в увеличенном масштабе входной участок, модулятор давления и нижний участок системы на фиг.8.

На фиг.10 показан график давления жидкого металла, протекающего через систему на фиг.8.

На фиг.11-16 показаны схематично альтернативные модуляторы давления для вариантов на фиг.8 и 9.

На фиг.17 показана схематично система регулирования расхода жидкого металла, которая включает в себя второй вариант разливочного стакана для непрерывной разливки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.18 показаны схематично в увеличенном масштабе входной участок, модулятор давления и нижний участок системы на фиг.17.

На фиг.19 показан график давления жидкого металла, протекающего через систему на фиг.17.

На фиг.20-26 показаны схематично альтернативные входные участки и нижние участки отверстия разливочного стакана для непрерывной разливки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.8 и 9 показан первый вариант разливочного стакана 100 в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.8 показана система регулирования расхода жидкого металла из разливочного устройства 15 в литейную форму 20, которая включает в себя разливочный стакан 100. На фиг.9 показан в увеличенном масштабе разливочный стакан 100.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.9, на которой показан разливочный стакан 100, который содержит два компонента: входную вставку модулятора давления 105 и основной корпус 110. Разливочный стакан 100 имеет отверстие (расточку) 115, которое содержит три участка: входной участок 120, который идет от точки 121 до точки 122; участок модулятора давления 130, который идет от точки 122 до точки 123, а затем до точки 124, до точки 125 и до точки 126; и нижний участок 140, который идет от точки 126 до точки 127.

Модулятор давления 130 создает резкое и сильное сужение потока, которое позволяет снизить до минимума перепад давлений через зону управления разливочного стакана 100, что обсуждается далее более подробно, позволяет снизить эффекты ее коррозии и стабилизировать размер и форму зоны управления, в результате чего снижаются колебания регулирования и увеличивается стабильность потока.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.8, на которой показан разливочный стакан 100, который имеет зоны управления 55, расположенные между носовой частью 50 стопорного стержня 30 и входным участком 120 отверстия разливочного стакана 115, на противоположных сторонах носовой части 50. Специалисты легко поймут, что вместо стопорного стержня 30 может быть использован любой другой известный подходящий регулятор расхода.

Каждая зона управления 55 представляет собой самую узкую часть открытого канала между входным участком 120 отверстия разливочного стакана 115 и носовой частью 50. Вообще говоря, каждая зона управления 55 расположена над участком модулятора давления 130 и может быть ограничена при помощи любой структуры, которая может изменять форму зоны управления 55 и регулировать поток жидкого металла, поступающего в участок модулятора давления 130.

Изменение (модуляцию) давления разливочного стакана 100 производят с использованием зоны сужения. Система регулирования расхода жидкого металла на фиг.8 имеет зону сужения 150, расположенную ниже по течению относительно зоны управления 55 разливочного стакана 100. Зона сужения 150 расположена в самой узкой части отверстия разливочного стакана 115, ограниченной вставкой модулятора давления 105. Если стопорный стержень 30 не блокирует входной участок 120 отверстия разливочного стакана 115, то открытие зоны управления 55 позволяет протекать потоку, причем давление жидкого металла 10, созданное силой тяжести в разливочном устройстве 15. заставляет жидкий металл 10 вытекать из разливочного устройства 15 в разливочный стакан 100. В том случае когда поток не является максимальным, характеристики открытого пространства зоны управления 55 играют первичную роль в регулировании скорости потока в разливочный стакан 100 и затем в литейную форму 20.

Изменения давления жидкого металла 10 при его вытекании из разливочного устройства 15 через зону управления 55 и через входной участок 120 разливочного стакана 100 и затем через зону сужения 150 в нижний участок 140, показаны схематично на фиг.10. Точка 60 находится внутри жидкого металла, который содержится в разливочном устройстве 15 выше по течению относительно зоны управления 55. Точка 65 находится внутри открытого отверстия разливочного стакана ниже по течению относительно зоны управления 55, но выше по течению относительно зоны сужения 150, на участке модулятора давления 130 отверстия разливочного стакана 115. Точка 80 находится внутри открытого отверстия разливочного стакана ниже по течению относительно зоны сужения 150, на нижнем участке 140 отверстия разливочного стакана 115.

Как это показано на фиг.10, небольшое начальное падение давления через зону управления 55 сопровождается другим падением давления через зону сужения 150. Точки 60 и 65 на фиг.8, 10, 17 и 19 аналогичны точкам 60 и 65 на фиг.3, 4, 6 и 7. Сравнение фиг.10 с фиг.4 и 7 показывает, что зона сужения 150, созданная участком модулятора давления 130, снижает величину падения давления через зону управления 55. Следовательно, давление в точке 65 изменяется (модулируется) таким образом, что падение давления через зону управления 55 снижается.

Обратимся вновь к рассмотрению фиг.9, на которой показано, что модулятор давления 130 разливочного стакана 100 имеет расчетные параметры А, В, L1 и L2. Для упрощения на фиг.11-16 показаны схематично огибающие различных конфигураций, которые могут быть получены при изменении указанных параметров. "А" представляет собой размер зоны сужения. "В" представляет собой размер открытого канала участка модулятора давления 130 отверстия, непосредственно выше по течению относительно зоны сужения. "L1" представляет собой длину модулятора давления над сужением. "L2" представляет собой длину зоны сужения. Область потока, которая расположена выше по течению относительно сужения, внутри модулятора давления, представляет собой пространство приложения давления. Отношение сужения определено как В/А. Отношение пространства приложения давления определено как L1/B. Относительный показатель длины сужения определен как L2/A.

На давление в точке 65 влияет отношение сужения, отношение пространства давления и относительный показатель длины сужения модулятора давления. Для того чтобы эффективно влиять на давление в точке 65 и модулировать его, разделение потока в пространстве давления следует свести к минимуму, для чего обычно требуется, чтобы отношение сужения (В/А) было ориентировочно больше, чем 1.4, отношение пространства давления (L1/B) было ориентировочно больше чем 0.7 и меньше, чем 8.0, а относительный показатель длины сужения (L2/A) был ориентировочно меньше, чем 6.0.

На фиг.11-16 также показан угол Ф между полкой сужения и расположенной выше по течению боковой стенкой отверстия разливочного стакана. Значение угла Ф может влиять на эффективность сужения потока и, следовательно, на эффективность модулятора давления. Для получения приемлемой эффективности угол Ф не должен превышать ориентировочно 135°, а преимущественно должен лежать в диапазоне ориентировочно от 80 до 100°.

Если угол Ф слишком мал или слишком велик, то модулятор давления обладает меньшей возможностью обеспечения резкого сужения потока или большого градиента давления и, следовательно, обладает меньшей возможностью модулирования давления. Если же модулятор давления не обладает возможностью модулирования давления, то тогда, как и в известных ранее разливочных стаканах, предлагаемый разливочный стакан не будет уменьшать перепад давлений через зону управления разливочного стакана. Пониженный перепад давлений снижает коррозионные эффекты и стабилизирует размер и форму зоны управления, в результате чего снижаются колебания регулирования и повышается стабильность потока.

Например, если угол Ф слишком мал, в том случае, когда разливочный стакан имеет конструкцию, показанную на фиг.13, в которой стенки модулятора давления выше по течению относительно сужения расширяются в направлении зоны сжатия, то параметры модуляции давления могут ухудшаться, так как внутри пространства приложения давления может происходить сильное разделение потока. Разделение потока в пространстве давления снижает способность модуляции давления модулятором давления. Аналогично, если угол Ф слишком мал, в том случае, когда разливочный стакан имеет конструкцию, показанную на фиг.15, то внутри пространства приложения давления может происходить сильное разделение потока. Уменьшение угла Ф увеличивает риск разделения потока.

На фиг.16 также показан радиус R между верхней полкой сужения и расположенной выше по течению стенкой отверстия разливочного стакана. В этом случае для получения приемлемой эффективности радиус R должен быть меньше, чем (В-А)/2, а преимущественно меньше, чем (В-А)/4.

Поток жидкого металла 10 входит в модулятор давления поблизости от участка с длиной L1, который имеет общий размер В, причем отношение L1/B лежит в диапазоне ориентировочно от 0.7 до 8.0, а преимущественно ориентировочно от 1.0 до 2.5. Поток сжимается у полки 135 участка модулятора давления 130, при этом общий размер В уменьшается до размера А. Отношение В/А должно быть ориентировочно больше, чем 1.4, а преимущественно должно лежать в диапазоне ориентировочно от 1.7 до 2.5. Как уже было упомянуто здесь ранее, имеется угол Ф между полкой и расположенной выше по течению стенкой отверстия модулятора давления. Угол Ф должен быть ориентировочно меньше, чем 135°, а преимущественно должен лежать в диапазоне ориентировочно от 80 до 100°. Сужение модулятора давления имеет длину L2, причем отношение L2/A составляет ориентировочно меньше, чем 6.0, а преимущественно лежит в диапазоне ориентировочно от 0.3 до 0.5.

На фиг.17 показана вторая система регулирования расхода жидкого металла, вытекающего из разливочного устройства 15 в литейную форму 20, причем эта система включает в себя второй вариант разливочного стакана 200 в соответствии с настоящим изобретением. Как это показано на фиг.18, разливочный стакан 200 содержит три компонента: входную вставку 203, вставку модулятора давления 205 и основной корпус 210. Аналогично разливочному стакану 100 разливочный стакан 200 имеет отверстие (расточку) 215, которое разделено на три участка: входной участок 220, идущий от точки 221 до точки 223; участок модулятора давления 230, идущий от точки 223 до точки 227; и нижний участок 240, идущий от точки 227 до точки 228. Входная вставка 203 разделена от вставки модулятора давления 205, так как каждая из них имеет различную скорость износа, причем входная вставка 203 и вставка модулятора давления 205 при необходимости могут быть заменены независимо друг от друга.

Аналогично модулятору давления 130, модулятор давления 230 создает резкое и сильное сжатие жидкости (сужение потока), которое позволяет снизить до минимума перепад давлений через зону управления разливочного стакана 200 и уменьшить его коррозию, и, в конечном счете, повысить стабильность потока.

Настоящее изобретение может быть также выполнено в виде конструкций, которые показаны на фиг.20-26, все из которых содержат разливочные стаканы 300, 400, 500, 600, 700, 800 и 900, обеспечивающие модуляцию давления в соответствии с ранее описанным. Каждый из разливочных стаканов 300, 400, 500, 600, 700, 800 и 900 имеет три участка, которые соответствуют трем участкам на фиг.8 и 17, а именно: входной участок 320, 420, 520, 620, 720, 820 или 920; участок модулятора давления 330, 430, 530, 630, 730, 830 или 930; и нижний участок 340, 440, 540, 640, 740, 840 или 940. На фиг.20-23 показаны варианты с нижними участками последующей модуляции, имеющими различную конфигурацию для различных целей. На фиг.24-26 показаны варианты с входными участками предварительной модуляции, имеющими различную конфигурацию для различных целей. При условии соответствия указанных модуляторов давления принципам настоящего изобретения, в них могут быть применены различные конфигурации предварительной и последующей модуляции, позволяющие получить положительные результаты.

Несмотря на то что в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.